Efek Venturi Pada Bangunan/StrukturTinggi

Akibat perilaku angin yang kompleks pada bangunan/struktur tinggi seperti : vortex shedding, efek venturi, dan perilaku dinamis lainnya, maka uji terowongan angin (wind tunnel) menjadi sesuatu yang sangat penting pada bangunan/struktur tinggi. Untuk memangkas waktu dan biaya, sebelum dilakukan uji terowongan angin sebaiknya bangunan/struktur tinggi dianalisa terlebih dahulu dengan metode dinamika fluida numerik (CFD). Dengan analisa CFD maka kita bisa memperoleh gambaran awal tentang perilaku angin terhadap bangunan/struktur tinggi. Untuk perbandingan antara wind tunnel dan CFD dapat dibaca disini.

Salah satu penyebab kolapsnya 3 cooling tower di Ferrybridge, England adalah karena efek venturi yang timbul di antara cooling tower tidak terlalu mendapatkan perhatian. Gambar 1 memperlihatkan kolapsnya 3 cooling tower di Ferrybridge, England.

Efek venturi menjelaskan bahwa ketika fluida mengalir dalam bagian pipa yang penampangnya kecil dan berada pada ketinggian yang sama, maka kecepatan fluida di daerah tersebut akan semakin besar untuk mempertahankan debit fluida . Analisa CFD akan membantu kita untuk mempelajari fenomena efek venturi pada kelompok bangunan/struktur tinggi. Kali ini saya akan mengambil contoh analisa aliran pada susunan bangunan yang berbentuk silinder.

Pada Gambar 2, dapat kita lihat  bahwa terjadi peningkatan kecepatan aliran fluida pada celah kedua buah silinder ( A & B) yang berpengaruh terhadap silinder yang ada di belakangnya (C).

Mesh Consideration in FEA and CFD Analysis

Meshing is still one of the most important tasks  for most CAE users. You need make judgements whether the mesh is good enough for your physical problem. Here are the mesh consideration in FEA and CFD analysis. I know there are probably some other good considerations. If you get one, please post it in the comments box below.

1. For simple comparison of different designs, coarse mesh is OK but for accurate stresses, finer mesh  is needed.

2. Invest elements at locations of interest (refining the mesh only in the regions of interest). Greater numbers of elements require more compute resource (memory / processing time). Balance the fidelity of the simulation with available resources.

3.  Elements distorted from their basic shape can be less accurate. Greater the distortion, the greater the error. Four types of distortion : Aspect ratio (elongation), Angular distortion (skew and taper), Volumetric distortion, Mid node position distortion (higher order elements)

4. When you choose an element type, you are implicitly choosing and accepting the element shape function assumed for that element type.  Therefore, check the shape function information before you choose an element type.

Investigation Of Air Flow Around Buildings Using Computational Fluid Dynamics Technique

Engineering projects are now demanding design solutions that are beyond standard practise. To meet this challenge the utilization of sophisticated numerical modeling techniques, such as CFD (Computational Fluid Dynamics) being able to provide innovative engineering design solutions.  CFD techniques have been applied in predicting wind flow conditions : around a single building, between two parallel  buildings ,  and around multiple building configuration. I would like show some results obtained in numerical solutions using CFD techniques. These results summarized from some literature.

A. Validation of the Computational Fluid Dynamics (CFD) Method for Predicting Wind  Flow Around a High-Rise Building (HRB) in an Urban Boundary Layer Condition Condition. (By Abdul Razak Sapian)

This study attempts to validate and justify the realibility of  Flovent by investigating the  wind flow around a high rise building.  The main goal of this paper is to determine if the  CFD method can be be used to study wind flow around a high-rise building. The data obtained from the simulation are compared with wind tunnel data.

The size of building was 78 m x 10 m x 50 m. The building was placed inside an overall   domain solution size of 318 m x 450m x 240 m high.The position of the building inside the overall   domain solution was 120 m from x-plane, 250 m from z-plane, and 0 m from y-plane.

Results of simulation :

 

Conclusion from this paper :

The results obtained from the simulation show a deviation of less than 15% compared   with   wind tunnel results.   

Shelvam (1992) allowed up to a 7% deviation for the average windward point between his CFD calculation and the  experimental data.

In a separate case study, another CFD expert, Shao (1992), accepts a 20% tolerance for a good agreement  between his CFD Codes’ Cp results and the experiment data.

Langkah-Langkah Dalam Melakukan Simulasi CFD

Langkah-langkah dalam melakukan simulasi CFD : Identifikasi masalah, tahap preprocessing, tahap solution (solver execution), dan tahap postprocessing.

A. Identifikasi Masalah

Pada tahap ini ada 2 hal yang perlu kita lakukan:

1) Menentukan tujuan yang akan dicapai atau hasil  yang kita harapkan dari simulasi ini. Misalnya saja hydrodynamic/aerodynamic force pada suatu struktur, penyebaran panas pada suatu benda, atau pola aliran udara di dalam suatu ruangan. Hal ini berguna untuk membantu kita dalam membuat dan menyederhanakan asumsi-asumsi yang akan kita gunakan dalam simulasi.  Asumsi –asumsi yang kita gunakan dalam simulasi akan turut menentukan seberapa akurat dan seberapa cepat hasil simulasi bisa kita dapatkan. Karena simulasi CFD membutuhkan investasi yang cukup besar (pengadaan hardware & software) dan waktu yang kadang-kadang cukup lama, maka kita perlu evaluasi apakah simulasi CFD benar-benar perlu kita lakukan.

2) Menentukan Domain Fluida. Penentuan domain fluida terkait dengan beberapa hal antara lain : akurasi hasil simulasi yang kita harapkan, lama waktu simulasi dan kemampuan hardware kita. Misalnya ketika kita akan melakukan simulasi CFD untuk mengetahui pola aliran angin pada suatu bangunan (external flow), kita perlu menentukan apakah kita perlu memodelkan bangunan lain di sekitar bangunan yang akan kita analisa atau tidak.

B. Tahap PreProcessing

Pada tahap ini ada 4 hal yang perlu kita lakukan :

1)  Membuat geometry. Kita bisa membuat geometry dengan fasilitas build geometry dari software CFD yang kita gunakan, atau bisa dengan menggunakan software CAD. Kita perlu menentukan apakah permasalahan yang kita hadapi cukup disimulasikan dengan 2 dimensi atau 3 dimensi, apakah kita akan memodelkan hanya sebagian benda atau seluruhnya.

2) Meshing. Menentukan type mesh yang akan kita gunakan. Apakah menggunakan triangle, quadrilateral, tetrahedron, hexahedron, pyramid,prism.  Memory komputer juga turut menentukan seberapa banyak cells/node yang bisa kita buat.

3) Menentukan material properties dari fluida, physical models, boundary condition, turbulence modelling, etc.

4) Pengaturan solver  (numerical schemes, convergence controls, convergence monitors, etc).

Introduction to Computational Fluid Dynamics (CFD)

Computational fluid dynamics (CFD) is the use of computers and numerical methods to solve problems involving fluid flow.  The ultimate goal of the field of Computational Fluid Dynamics (CFD) is to understand the physical events that occur in the flow of fluids around and within designated object.  CFD is predicting what will happen, quantitatively, when fluids flow. The governing equations  the fluid motion are based on fundamental physiscs principles :

–  change of mass = 0

–  change of momentum = force × time

–  change of energy = work + heat

Navier-Stokes Equations are the governing equations of Computational Fluid Dynamics. It is based on the conservation law of physical properties of fluid. The principle of conservational law is the change of properties, for example mass, energy, and momentum, in an object is decided by the input and output. For example, the change of mass in the object is as follows :

Which means : M = const

Applying the mass, momentum and energy conservation, we can derive the continuity equation, momentum equation and energy equation as follows :