View source for Tutorial CFDSOF-NG: Aliran Diantara 2 Pelat Sejajar

== Deskripsi Masalah ==
Aliran diantara 2 pelat sejajar biasa disebut dengan ''channel flow''. Diberikan kasus CFD 2D pada aliran laminar pada sebuah ''channel flow'' untuk dicari kondisi fisik aliran tersebut.
Berikut adalah dimensi dari ''channel  flow'':
*Tinggi, H = 0,1 m
*Panjang, L = 1 m
Menggunakan simulasi CFD, carilah perkembangan profil kecepatan aliran yang terjadi di dalam ''channel'' untuk kondisi fluida dan aliran berikut:
*Massa jenis udara = 1.2 kg/m3
*''Dynamic viscosity'' = 1e-5 kg/ms
*Kecepatan inlet = 0.01 m/s
[[file:Aliran_antara_2_pelat_sejajar-1.PNG]]

== Langkah Penyelesaian ==
Berikut adalah langkah-langkah yang dilakukan untuk menyelesaikan masalah aliran di atas menggunakan aplikasi '''CFDSOF-NG'''.

<br><br>
=== Membuat Direktori Kerja ===
'''CFDSOF-NG''' menyimpan semua hasil kerja dan perhitungan dalam satu direktori/folder. Sebelum mulai menyelesaikan kasus CFD dengan '''CFDSOF-NG''', silahkan membuat direktori/folder kerja terlebih dulu.
{| class="wikitable" style="width: 80%; margin: auto;"
|-
! scope="col"| Langkah
! scope="col"| Tampilan
! scope="col"| Uraian dan Catatan
|-
| 1. Membuka program CFDSOF-NG
| <center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 23.png|400px|Tampilan Awal]]</center><br>
<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 3.PNG|800px|Halaman Utama CFDSOF-NG]]</center>
|
*Klik ganda ikon '''CFDSOF-NG''' pada layar desktop.
*Selanjutnya masukkan data berikut<br>
 Project Name: '''ChannelFlow'''
 Post Processor Location: masukkan lokasi paraview anda
 Centang '''Create Log File'''
*Setelah itu akan terbuka halaman utama '''CFDSOF-NG''' dan dipojok kanan bawah dari aplikasi '''CFDSOF-NG''' akan menunjukan status direktori case yang aktif.
|}

<br><br>
=== Pre-Processing: Membuat Model CFD ===
Pada bagian ini akan dibuat model simulasi CFD yang terdiri atas pembuatan domain fluida, mesh, memasukkan kondisi batas dan kondisi awal. Sebelum itu, hal penting yang harus diketauhi adalah pemahaman mengenai masalah yang akan diselesaikan. Pemahaman yang didapat dari deskripsi masalah adalah sebagai berikut:
 1. Simulasi diasumsikan ''steady state'' dan dalam 2 Dimensi.
 2. Aliran udara adalah laminar. Udara diasumsikan ''incompressible''.
 3. Pembatas ''channel'' berupa ''wall''/tembok. Secara fisik, hal ini mengakibatkan kecepatan aliran udara di tembok adalah 0 m/s dan bertambah secara gradual seiring menjauhi tembok. Hal ini adalah efek dari ''No Slip Condition''.
 4. Bentuk ''channel'' adalah simetri terhadap sumbu y. Dengan hal ini, domain komputasi dapat diperkecil akibat geometri yang simetri ini.
 5. Gaya gravitasi diabaikan.
 6. Analisis energi (thermal) diabaikan.

{| class="wikitable" style="width: 80%; margin: auto;"
|-
! scope="col"| Langkah
! scope="col"| Tampilan
! scope="col"| Uraian dan Catatan
|-
|3. Membentuk domain komputasi dan mengatur mesh
|<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar-4.PNG|800px|Tampilan pengaturan pembuatan domain komputasi]]</center><br>
<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar-5.PNG|800px|Tampilan pengaturan pembuatan mesh pada domain komputasi]]</center>
|
'''Domain Komputasi'''<br>
Akibat kondisi simetri, kita hanya perlu membuat setengah dari domain fluida yang ingin disimulasikan. Disini kita akan membuat domain dari titik tengah hingga dinding atas (y = 0 m hingga y = 0.05 m). Membentuk domain komputasi, dilakukan dengan cara:
#Klik ''Base Mesh''
#Selanjutnya, pada tab ''Box Mesh'', masukkan nilai <br>''Min. Coordinates'' = (0.0, 0.0, 0.00) <br>''Max. Coordinates'' = (1.0, 0.05, 0.01)
#Tekan ''Enter'' untuk melihat bentuk domain komputasi.
Perlu diketahui, domain komputasi pada deskripsi masalah adalah dalam 2D, namun disini kita membuat domain komputasi dalam 3D karena '''CFDSOF-NG''' tidak dapat menyelesaikan masalah fluida dalam 2D. Hal ini bukan masalah besar. Pada langkah selanjutnnya akan ditunjukan bagaimana menghilangkan efek 3D pada simulasi ini.
<br><br>
'''Mesh'''<br>
Pembuatan mesh dilakukan dengan mempertimbangkan kondisi ''no slip''. Untuk mengakomodir semua variasi kecepatan terhadap sumbu y, maka mesh di sekitar tembok perlu dirapatkan. Selanjutnya, mengatur bentuk mesh dilakukan dengan cara sebagai berikut:
#Ubah ''division'' pada sumbu x, y, dan z menjadi 30, 15, dan 1. Artinya domain komputasi sepanjang sumbu-x akan dibagi menjadi 30 bagian, sepanjang sumbu-y menjadi 15 bagian, dan sepanjang sumbu-z hanya 1 bagian.
#Ubah ''grading'' pada sumbu y menjadi 0.05. Hal ini akan membuat ukuran mesh berubah secara gradual dari sumbu-y maksimum menuju sumbu simetri. ''Grading'' ini adalah perbandingan ukuran mesh pada ujung sumbu-y maksimum dengan sumbu simetri.
#Tekan ''enter'' untuk melihat hasil.
<br>
'''Tambahan'''<br>
Anda dapat memperbesar tampilan grafis menggunakan ''scroll'' pada ''mouse'' anda.
|-
|4. Mengatur ''Box Mesh Boundaries'' pada domain komputasi
|<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 6.PNG|800px|Mengatur Boundaries pada Box Mesh]]</center>
|
Setiap permukaan yang ada pada domain komputasi akan didefinisikan tipe ''boundary''-nya. Berikut data-data yang harus diisi pada ''Box Mesh Boundaries'':<br>
 format: [boundary face > boundary name > boundary patch > boundary id]
 
 - x- face > inlet > patch > 1
 - x+ face > outlet > patch > 1
 - y- face > symmetry > symmetry > 1
 - y+ face > wall > wall > 1
 - z- face > boundary > empty > 1
 - z+ face > boundary > empty > 2
|-
|5. ''Generate Mesh''
|<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 7.PNG|800px|Melakukan Generate Mesh]]</center><br>
<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 8.PNG|800px|Melakukan Check Mesh]]</center>
|
'''Generate Base Mesh'''
*klik tombol ''Generate Base Mesh''.
*Akan muncul terminal setelah anda klik tombol tersebut. Terminal tersebut akan menuliskan log pembuatan mesh. Apabila mesh telah rampung dibuat, maka akan ada notifikasi pada bagian kanan status bar dan tampilan grafis dari domain komputasi berubah.
<br><br>
'''Check Mesh'''<br>
Sebelum memulai simulasi, pastikan mesh yang telah dibuat telah memenuhi kualitas mesh dari CFDSOF-NG. Berikut adalah langkah-langkahnya:
*Klik kolom ''Check Mesh''
*Klik tombol ''Check Mesh''
*''Mesh OK'' muncul pada display, artinya mesh telah memenuhi kualitas yang dibutuhkan dan siap untuk digunakan.
<br><br>
'''Tambahan''' <br>
Apabila ''check mesh'' gagal, maka anda dapat mengulangi langkah 3 untuk memperbaiki bentuk mesh anda.
|-
|6. Mengatur Model Simulasi
|<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 9.PNG|800px|Mengatur Model Simulasi]]</center>
|
Atur model simulasi yang benar agar solusi dapat merepresentasikan kondisi fisis yang sebenarnya. Berikut adalah langkah-langkahnya:
*Klik kolom ''Simulation Model''
*Pilih aturan berikut:
 Time: Steady-state
 Flow Compressibility: incompressible
 Flow Regime: subsonic
 Turbulence: laminar
 Multi-phase: off
 Body Forces: (0.0, 0.0, 0.0)
|-
|7. Input Properti Material, Boundary Conditions, dan Initial Conditions
|<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 10.PNG|800px|Mengatur Material Properti]]</center><br>
<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 11.PNG|800px|Mengatur Boundary Conditions]]</center><br>
<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 12.PNG|800px|Mengatur Initial Conditions]]</center>
|
'''Properti Material'''<br>
Properti material yang dimaksud adalah properti fluida udara. Untuk simulasi ini, hanya persamaan kekekalan massa dan momentum yang harus diselesaikan. Maka properti fluida yang harus dimasukkan hanya massa jenis dan ''dynamic viscosity''. Berikut cara memasukkan properti material fluida udara:
* Klik kolom ''Materials''
* Isi data berikut
 Material Name: Udara
 Density: 1.2
 Dynamic Viscosity: 1e-5
<br><br>
'''Boundary Conditions'''<br>
Selanjutnya, masukkan kondisi batas yang ada pada setiap ''boundary faces''. Berikut adalah langkah-langkahnya:
* Klik menu ''Boundary Conditions''. Pada menu ini akan terlihat ''Face properties'' yang berisi ''boundary faces'' dan ''Transport variables boundaries'' yang terdiri dari 2 variabel utama, Tekanan dan Kecepatan. 2 Variabel ini yang akan dimasukkan ke dalam tiap ''boundary faces''.
* Masukkan data berikut:
 Face Name: '''Inlet1'''
 Face Type: patch
 Velocity
 Type: fixed value
 Value: (0.01, 0.00, 0.00)
 Pressure
 Type: zero gradient
 
 Face Name: '''Outlet1'''
 Face Type: patch
 Velocity
 Type: zero gradient
 Pressure
 Type: fixed value
 Value: 0
 
 Face Name: '''Symmetry1'''
 Face Type: Symmetry
 
 Face Name: '''Wall1'''
 Face Type: wall
 Velocity
 Type: No slip
 Pressure
 Type: zero gradient
 
 Face Name: '''Boundary1'''
 Face Type: Empty
 
 Face Name: '''Boundary2'''
 Face Type: Empty
<br><br>
'''Initial Conditions'''<br>
* klik menu ''Initial Conditions''. <br>
Lewat menu ini, anda akan dapat memasukkan nilai awal dari variabel tekanan dan kecepatan dalam medan aliran. Apabila tidak dibutuhkan, biarkan pada nilai ''default''
|}

<br><br>

=== Processing: Membuat Skema Penyelesaian CFD ===
Tahap selanjutnya adalah membuat skema penyelesaian CFD. Pada tahap ini akan ada 3 menu yang dapat diatur sebagai kontrol skema penyelesaian CFD antara lain ''Time and Data Control, Numerical Schemes,'' dan ''Solution and Algorithm''. Bagian ''Numerical Schemes'' dan ''Solution and Algorithm'' adalah ''advance option'', '''CFDSOF-NG''' telah membantu memilihkan opsi terbaik untuk skema penyelesaian pada kasus ini.

{| class="wikitable" style="width: 80%; margin: auto;"
|-
! scope="col"| Langkah
! scope="col"| Tampilan
! scope="col"| Uraian dan Catatan
|-
|8. Mengatur ''Time and Data Control''
|<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 13.PNG|800px|Tampilan pengaturan Time dan Data Control]]</center>
|
Akan ada 2 menu input yang  harus diisi, yakni ''Time Control'' dan ''Data Control''. Pada simulasi ''steady-state'', gabungan ''start from, stop at'', dan ''delta t'' pada input menu ''Time Control'' akan menjadi jumlah iterasi maksimum yang akan dilakukan solver. Selanjutnya, pada input menu ''Data Control'' berisi bagaimana anda mengatur penulisan data yang nantinya digunakan pada proses selanjutnya. Secara ringkas, silahkan masukkan:<br>
 Start From > Start Time > 0
 Stop At > End Time > 3
 Delta T > 0.01
 Write Format > ASCII
|-
|9. Menjalankan Simulasi
|
|
Setelah semua selesai, silahkan klik menu '''Run Solver''' untuk menjalankan simulasi. Pada tahap ini anda akan melihat proses perhitungan konvergensi pada terminal yang telah disediakan. Iterasi anda akan berhenti sesuai dengan jumlah iterasi maksimum yang anda masukkan pada langkah 8. Apabila nilai konvergensi belum tercapai, anda dapat mengulang mengatur jumlah iterasi pada langkah 8 dan kembali klik menu '''Run Solver''' untuk memulai perhitungan.<br>
Saat perhitungan selesai, akan ada notifikasi pada status bar di pojok kiri bawah layar.
|}

<br><br>

=== Post-Processing: Analisa dan Mengambil Hasil CFD ===
Tahap ini akan menjelaskan langkah mengambil data aliran fluida hasil simulasi CFD. '''CFDSOF-NG''' memakai ''third-party software'' yakni ''Paraview'' untuk menampilkan hasil simulasi.

{| class="wikitable" style="width: 80%; margin: auto;"
|-
! scope="col"| Langkah
! scope="col"| Tampilan
! scope="col"| Uraian dan Catatan
|-
|10. Membuka hasil simulasi
|<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 14.PNG|800px|Tampilan CFD Menu - CFD-Post]]</center><br>
<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 15.PNG|800px|Tampilan Awal Paraview]]</center>
|
#Klik CFD Menu '''CFD-Post'''
#Klik menu '''Post Processing Tools'''
#Klik menu input '''Post Processing with third party tools'''

Setelah mengikuti langkah di atas, akan terbuka software baru yang siap menampilkan hasil simulasinya.
|-
|11. Menampilkan kontur tekanan dan kecepatan
|<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 16.PNG|800px|Tampilan Kontur Tekanan]]</center><br>
<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 17.PNG|800px|Tampilan Kontur Kecepatan]]</center>
|
'''Menampilkan kontur tekanan'''<br>
# Pertama-tama, klik tombol '''Apply'''. Akan muncul secara otomatis kontur tekanan. Namun ini adalah kontur tekanan di awal simulasi.
# Klik tombol '''Last Frame''' pada menu VCR Controls (menu yang berbentuk icon ''fast forward'') untuk menuju hasil terakhir iterasi.
# Kontur tekanan pada iterasi terakhir (kondisi steady) akan ditampilkan.
<br><br>
'''Menampilkan kontur kecepatan'''<br>
# Pada menu '''Active Variables Control''', terdapat combo-box menu yang menunjukkan huruf '''p''' yang berarti pressure. Ganti variabel ini menjadi '''U''' untuk menampilkan kontur kecepatan.
<br><br>
'''Analisa Kontur'''<br>
Warna pada aliran telah menunjukan simulasi CFD berjalan, namun yang kita inginkan adalah apakah hasilnya benar/tidak. Untuk itu, kita perlu menganalisa hasil.
*Pada kontur tekanan, kita tau tekanan di inlet lebih besar dari tekanan di outlet. Hal ini sudah sesuai logika, karena aliran akan kehilangan tekanan akibat bergesekan dengan dinding (velocity loss).
*Pada kontur kecepatan, terlihat ada bagian gradasi kecepatan yang terjadi mendekati dinding. Hal ini akibat kondisi ''no slip'' dan tentu sesuai dengan kondisi fisik dari aliran.
*Maka dari itu, secara kualitatif analisa hasil CFD telah berhasil dan tidak menyalahi hukum apapun.
|-
|12. Membuat plot profil kecepatan aliran
|<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 18.PNG|800px|Tampilan Pembuatan Plot Over Line]]</center><br>
<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar-19.PNG|800px|Tampilan pengaturan Grafik Plot]]</center>
|
Langkah-langkah membuat plot profil kecepatan aliran adalah sebagai berikut:
#Membuat '''slice''' untuk mendapatkan potongan kontur di tengah-tengah domain fluida.
#Membuat '''line''' atau garis sebagai tempat pengambilan data
#Membuat '''plot''' dari garis tersebut.


Berikut detail dari tiap langkahnya.
<br><br>
'''Membuat Slice'''<br>
#Pada menu bar, pilih '''Filter > Common > Slice'''
#Klik tombol '''Z normal''' untuk membuat slice sepanjang sumbu-x dan sumbu-y namun normal terhadap sumbu-z
#Klik '''Apply'''

<br><br>
'''Membuat Plot Line'''<br>
#Pada menu bar, pilih '''Filter > Data Analysis > Plot Over Line'''. Langkah ini akan merangkum pembuatan garis dan plot sekaligus.
#Klik tombol '''Y-axis'''  untuk membuat garis searah sumbu-y. Hal ini menjadi tujuan dari simulasi CFD ini yakni mencari profil kecepatan aliran searah sumbu-y.
#Klik '''Apply'''. Apabila telah mengikuti langkah-langkah dengan benar, maka tampilan akan seperti gambar pertama pada langkah ini. Di dalam plot masih berisi 2 variabel, pressure dan velocity. Yang dibutuhkan hanya velocity saja.
#Selanjutnya, masuk ke sub menu '''Display(XYChartRepresentation)''' pada menu properties. Kemudian ganti '''X Array Name = U_magnitude''' dan centang '''Points_Y''' pada '''Series Parameter'''
#Masuk ke sub menu '''View (Line Chart View)''' pada menu properties. Kemudian ganti properti berikut untuk memberikan informasi judul dan keterangan sumbu<br>
 Chart title: Velocity Profile at x = 0.5 m
 Left axis: y [m]
 Bottom axis: velocity [m/s]
|}
<br><br>

== Hasil Penyelesaian ==
Setelah menggunakan CFD, maka didapat kontur aliran dan plot aliran dari simulasi Channel Flow sebagai berikut:<br>
<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar - 22.png|1000px|Kontur Kecepatan Aliran]]</center>
 Di atas adalah kontur kecepatan aliran pada ''Channel Flow''. Terlihat adanya gradasi kecepatan aliran mendekati tembok. Hal ini diakibatkan oleh kondisi ''No slip''. Terlihat pula pada bagian awal aliran, tidak terlihatnya gradasi kecepatan yang sangat jelas. Dibagian ini, profil aliran mulai berkembang akibat baru mendapatkan gaya gesek dari tembok. Seiring berjalan mengikuti sumbu-x, gaya gesek semakin terlihat dan mengubah profil aliran yang awalnya ''uniform'' menjadi ''gradasi''. Semakin menuju ''downstream'', tidak terjadi perubahan profil aliran, maka profil aliran ini telah dikatakan sebagai ''fully developed''.
<br><br>
<center>[[file:Aliran antara 2 pelat sejajar-20.png|1000px|Plot Profil Kecepatan]]</center>
 Di atas adalah plot dari profil aliran pada x = 0.5 m. Terlihat dengan jelas, mendekati y = 0.05 m (tembok), kecepatan aliran mendekati 0 m/s akibat bergesekan dengan tembok.