Jurnal DISPROTEK
Volume 7 no. 2 Juli 2016
PENGARUH HUMIDITY DAN TEMPERATURE TERHADAP KENYAMANAN PEMAKAIAN HELM TENTARA MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) FLUENT Andung Jati Nugroho Universitas Teknologi Yogyakarta
[email protected] ABSTRACT This study aims to determine the comfort level of army helmet from the viewpoint of humidity and temperature. The method used was experimental and modeling. For modeling using geometry and mesh building intelligent toolkit (Gambit) and its analysis using CFD Fluent. This research was done first by conducting experimental testing, and measurement in the match with cfd fluent. From the results of this research is that, Methods of Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent can be used as a tool for the simulation of fluid flow and approaching the real state. Humidity and temperature greatly affect the comfort of soldiers in helmets, is shown from the value of the temperature in the cavity at a 0 0 0 point a 308.60 K, 309.18 K point b, point c 309.18 K. Helm soldiers use today, namely with a distance of 0.6 cm cavity already does not meet the level of comfort. Keywords: CFD Fluent, Gambit, relativevelocity ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui tingkat kenyamanan helm tentara dari sudut pandang kelembaban dan suhu. Metode yang digunakan adalah eksperimen dan pemodelan. Untuk pemodelan menggunakan geometri dan mesh menggunakan software (Gambit) dan analisis dengan menggunakan CFD Fluent. Penelitian ini pertama dengan melakukan pengujian eksperimental, dan pengukurannyadibandingkan dengan CFD Fluent. Dari hasil penelitian ini adalah, Metode Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent dapat digunakan sebagai alat untuk simulasi aliran fluida dan mendekati keadaan sesungguhnya. Kelembaban dan suhu sangat mempengaruhi kenyamanan tentara di helm, ditunjukkan dari nilai suhu di rongga pada titik a 308,600 K, 309,180 K titik b, dan titik c 309,180 K. Helm tentara yang di gunakan saat ini, yaitu dengan jarak 0,6 cm rongga tidak memenuhi tingkat kenyamanan dari sudut pandang suhu dan kelembaban. Keywords: CFD Fluent, Gambit, relativevelocity Pendahuluan
Pada penelitian ini akan dilakukan
Kelembaban dan suhu merupakan dua faktor
yang
berpengaruh
pada
analisis pengaruh suhu dan kelembaban
tingkat
terhadap kenyamanan pada pemakaian helm
kenyamanan. Suhu merupakan salah satu
tentara
kondisi yang berada di luar kendali manusia.
bergerak. Sehingga dapat diketahui apakah
Suhu dipengaruhi oleh kondisi lingkungan
helm tentara yang digunakan tersebut telah
sekitar, seperti kecepatan angin, cuaca, dan
memenuhi standar kenyamanan manusia.
panas
matahari.
Kelembapan
adalah
menggunakan
Pengukuran
simulasi
penelitian
fluida
dilakukan
konsentrasi uap air di udara. Kelembaban di
dengan kondisi kecepatan angin sebesar 2
pengaruhi oleh suhu, tekanan udara, angin,
m/s, temperatur lingkungan sebesar 304 K
0
cahaya, dan vegetasi lingkungan tersebut.
53
Jurnal DISPROTEK
Volume 7 no. 2 Juli 2016
Brecht et al. (2007), meneliti tentang
atau 31⁰ C, dengan kondisi obyek diam.
jumlah ventilasi dan karakteristik dari suatu
Bahan dari helm tersebut terbuat dari kevlar. Analisa penelitian meliputi kecepatan
helm menggunakan experiment tracer gas.
angin, temperatur, fraksi mol H2O pada tiga
Data-Based Mechanistic (DBM) adalah model
titik, yaitu titik a (rongga bagian depan antara
mekanistik
kepala dan helm), titik b (rongga bagian
gambaran secara fisik perpindahan massa
tengah antara kepala dan helm), dan titik c
dalam campuran fluida di bawah helm. Dalam
(rongga bagian belakang antara kepala dan
penelitiannya
helm). Hasil modelling akan dibandingkan
computational fluid dynamics (CFD) yang
dengan
pada
dapat diterapkan dengan baik untuk model
lingkungan sebenarnya, dengan asumsi angin
kecepatan, dan peningkatan ke suhu yang
mengalir dari arah depan.
lebih
metode
eksperimental
CFD (Computational sebenarnya
tinggi.
untuk
mereka
memberikan
menggunakan
Dengan
menggunakan
Dynamic)
keseimbangan massa, efisiensi ventilasi lokal
persamaan-
dapat digambarkan dengan menggunakan
Fluid
mengganti
diterapkan
persamaan diferensial parsial dari kontinuitas,
sistem
momentum, dan energi dengan persamaan-
menggunakan
persamaan
merupakan
efisiensi penyegaran mulai dari volume 0,06
pendekatan dari persoalan yang asalnya
per detik (s) di sisi helm sampai 0,22 s pada
kontinue (memiliki jumlah sel tak terhingga)
ventilasi belakang pada helm. Area di samping
menjadi
ventilasinya
aljabar.
model
yang
CFD
diskrit
(jumlah
sel
input
dan
output.
pendekatan
kurang.
Dengan
ini,
Pengaruh
ventilasi
sudut
terhingga). CFD Fluent versi 6.3.26 sendiri
kemiringan pada efisiensi ventilasi tergantung
menggunakan metode volume hingga (finite
pada
volume
Kenyamanan umum helm dapat ditingkatkan
method)
sebagai
metode
posisi
antara
kepala
dan
helm.
dengan meningkatkan efisiensi ventilasi udara
diskritisasinya (Tuakia, 2008)
segar.
Eksperimental: -Kecepatan angin -Temperatur -Kelembaban
Gambar 1. Skema dasar
54
Jurnal DISPROTEK
Volume 7 No. 2 Juli 2016
Metode dan Peralatan Langkah melakukan
Kemudian
awal
penelitian
eksperimen
pengamatan
dimana
dengan 1
adalah 5
obyek
dilanjutkan
dengan
menggunakan metode modelling.
obyek
1. Model
dilakukan
helm
standar
akan
divalidasi
menggunakan metode eksperimental.
pengukuran sebanyak 3 kali pengamatan.
2. Untuk memodelkan helm standar yang
Rongga antara kepala dan helm diukur pada
digunakan tentara menggunakan software
suhu lingkungan yang sebenarnya, dengan
Gambit
interval waktu setiap 10 menit di waktu akhir
bahan helm, dimensi helm, jarak standar
dilakukan pencatatan, 10 menit kemudian
antara helm dan kepala, kecepatan angin,
istirahat.
dan temperatur lingkungan.
Alat
yang
digunakan
adalah
anemometer, dan higrometer. Anemometer
2.4.6,
dimana
diperhitungkan
3. Untuk melakukan analisis menggunakan
digunakan untuk mengukur kecepatan angin
softwareFluent
6.3.26,
dimana
dengan
dan temperatur. Untuk mengukur temperatur,
software tersebut akan diketahui aliran
caranya kabel konduktor diletakkan di rongga
udara yang mengalir diantara kepala dan
kepala dan helm (menempelkan di sisi dalam
helm, temperatur, dan fraksi mol H2O.
helm dengan posisi bagian ujung atau sensor berada ditengah rongga atau tidak rapat)
Hasil dan Pembahasan
kemudian akan muncul nilai suhu. Jika untuk
1. Eksperimental Validasi
mengukur
kecepatan
cukup
letakkan
di
angin,
dengan
metode
saja
eksperimen dilakukakan pada kondisi cerah dengan kecepatan angin rata-rata 2 m/s dan
di display akan menunjukkan sebuah nilai
temperatur 31⁰C, dan kelembaban relatif rata-
kecepatan.
Higrometer
digunakan
untuk
rata 43%. Dari hasil pengukuran dengan
mengukur
kelembaban
lingkungan,
yaitu
metode eksperimen didapatkan hasil sebagai
diletakkan
dipegang
Pengukuran
menghadap arah angin berhembus, kemudian
cukup
atau
anemometer
kemudian
jarum
di
berikut.
higrometer akan menujukkan nilai relative humidity.
Tabel 1. Hasil pengukuran dengan metode eksperimen Obyek Pengamatan pengamatan 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
1
2
3
4
5
Rata-rata Standar deviasi
Temperatur rongga kepala & helm (⁰K) a b c 309,2 309,2 309,5 309,4 309,7 309,9 309,8 310,1 310,4 309,2 309,4 309,7 309,6 309,7 310,1 309,9 310,2 310,4 309,5 310,1 310,3 310,2 310,4 310,5 310,5 310,5 310,8 309,4 309,6 310 309,9 310,3 310,8 310,8 310,9 311,4 310,7 310,9 311,2 309,8 310,4 310,8 309,8 310,5 310,7 309,85 310,13 310,43 0,51 0,51 0,54
Dari tabel 1 menunjukkan temperatur
Gambar 2. Alat dan bahan yang digunakan yang
kecenderungannya
peningkatan
55
pada
mengalami
masing-masing
titik
Jurnal DISPROTEK
Volume 7 No. 2 Juli 2016
pengamatan. Titik pengamatan c memiliki nilai
nilai
yang
dihasilkan
pada
titik-titik
yang lebih tinggi dibanding dua titik lainnya.
pengamatan dari metode modelling mendekati
Dari ketiga titik pengamatan memiliki standard
hasil nyata (mendekati angka 1).
deviasi rata-rata sebesar 0,5 ini menunjukksn 4. Modelling
bahwa penyimpangan data nya sebesar 0,5.
Pemodelan geometri helm dilakukan 2. Modelling Validasi
dengan
menggunakan
perangkat
lunak
Pengukuran dilakukan dengan kondisi
Gambit 2.4.6 dan analisis menggunakan CFD
kecepatan angin sebesar 1,6 m/s, temperatur
Fluent 6.3.26 dengan jarak rongga kepala dan
lingkungan sebesar 304 0K atau 31⁰ C. Hasil
helm 0,6 cm dengan kecepatan angin 2 m/s.
penelitian awal helm standar tentara dapat ditunjukkan sebagai berikut.
Gambar 4. Iterasi 1793 solution is converged
Gambar 3. Kontur temperatur helm dengan kecepatan angin lingkungan 2 m/s
Pada iterasi ke 1793 penyelesaiannya
Dari gambar 3 didapatkan nilai temperatur
memusat, artinya tidak ada fluktuasi nilai yang
helm standar dari analisis fluent sebesar:
signifikan lagi pada iterasi1793 tersebut.
0
- Titik a adalah 308,60 K 0
- Titik b adalah 309,18 K 0
- Titik c adalah 309,18 K 3. Validasi Dari hasil pengukuran menggunakan metode
modelling
dan
eksperimental
di
dapatkan perbandingan sebagai berikut. Tabel 2. Perbandingan hasil modelling dan
Gambar 5. Kontur kecepatan angin
eksperimen
metode modelling eksperimen rasio
temperatur rongga kepala & helm (⁰K) A b c 308,61 309,18 309,18 309,85 310,13 310,43 0,996 0,997 0,996
Dari gambar 5 dapat diketahui bahwa yang berwarna
merah
menunjukkan
yang warna biru menunjukkan kecepatan angin lebih rendah (0 m/s).
Dari
tabel
2
dapat
kontur
kecepatan angin lebih tinggi (2,83 m/s), dan
diketahui
perbandingan hasil antara metode modelling dan eksperimental pada titik a sebesar 0,996, pada titik b 0,997, pada titik c 0,996. Artinya
56
Jurnal DISPROTEK
Volume 7 No. 2 Juli 2016
Gambar 6. Vektor kecepatan angin
Gambar 8. Vektor kecepatan suhu
Anak panah berwarna pada gambar 6.
Anak panah berwarna pada gambar 8
tersebut menunjukkan arah vektor kecepatan
menunjukkan arah vektor temperatur, dimana
angin, dimana arah angin berhamburan ketika
arah
membentur wall (kepala dan helm). Warna
membentur wall. Warna biru menunjukkan
merah yang berada di atas helm menunjukkan
temperatur lingkungan sebesar 304 K.
kecepatan yang paling tinggi, sebesar 3,15
Titik a adalah 308,60 K
m/s. Hal ini disebabkan oleh benturan angin
Titik b adalah 309,18 K
terhadap bagian depan helm mengarah ke
Titik c adalah 309,18 K
atas kemudian dari arah horizontal mendapat
Temperatur di titik a lebih rendah dari pada di
dorongan,
tersebut
titik b dan titik c, hal ini karena inlet pada titik a
bagian
kecenderungannya besar dipengaruhi oleh
sehingga
kecepatannya
lebih
di tinggi.
titik Pada
verktornya
berhamburan
ketika
0
0 0
0
rongga helm dan kepala didapatkan nilai
suhu lingkungan.
kecepatan angin sebesar: Titik a kecepatan anginnya adalah sebesar 0,317 m/s Titik b kecepatan anginnya adalah sebesar 0,317 m/s Titik c kecepatan anginnya adalah sebesar 0,317 m/s Gambar 9. Kontur fraksi mole H2O Dari
gambar
9
warna
merah
menunjukkan kontur fraksi mole H2O yang paling
besar
(0,0486),
dan
warna
biru
menunjukkan kontur fraksi mole H2O yang Gambar 7. Kontur suhu
paling kecil (0,0484). Kontur fraksi mole H2O digambarkan dengan besaran warna yang
Dari
gambar
7
warna
merah
menunjukkan nilainya.
menunjukkan kontur temperatur yang lebih 0
tinggi (310 K), dan warna biru menunjukkan 0
kontur temperatur yang lebih rendah (304 K). Kontur
temperatur
digambarkan
dengan
besaran warna yang menunjukkan nilainya.
57
Jurnal DISPROTEK
Volume 7 No. 2 Juli 2016
kenyamanan thermal untuk warga negara 0
0
Indonesia berada pada kisaran 24 C - 30 C 0
0
atau 297 K - 303 K. Untuk kecepatan angin pada titik a, b, dan c tidak ada perubahan atau konstan. Sementara untuk fraksi mol H2O pada titik a yang paling tinggi dengan nilai 0,04856. Fraksi mole menyatakan jumlah mol Gambar 10. Kecepatan relatif fraksi mole H2O
zat terlarut atau jumlah mol pelarut dalam jumlah mol total larutan. Nilai fraksi mole H2O
Anak panah berwarna pada gambar
yang dihasilkan menunjukkan kadar uap air di
10 tersebut menunjukkan arah vektor fraksi
udara yang berada diantara rongga semakin
mole
kecil seiring dengan jarak yang semakin lebar.
H2O,
dimana
arah
verktornya
berhamburan ketika membentur wall.
Nilai setiap mol gas H2O dari setiap model
Titik a fraksi mole H2O adalah sebesar
menunjukkan nilai yang sangat kecil dan
0,04856
perbedaan diantaranya yang sangat kecil pula.
Titik b fraksi mole H2O adalah sebesar
Ini menunjukkan bahwa nilai kelembaban
0,04855
(kadar H2O gas) kecenderungannya sama
Titik c fraksi mole H2O adalah sebesar
dengan kelembaban lingkungan sekitar.
0,04853 tinggi
Kesimpulan
dibandingkan pada titik b dan titik c, hal ini
Dari
Fraksi
mol
pada
titik
a
lebih
penelitian
disebabkan fraksi mole H2O pada inlet titik a
bahwa:
kecenderungannya
1. MetodeComputational
dipengaruhi
oleh
inlet
dapat
disimpulkan
Fluid
Dynamic
lingkungan. Pada titik b dan c fraksi mole H2O
(CFD) Fluent dapat digunakan sebagai alat
semakin kecil, hal ini disebabkan kepala
simulasi untuk aliran fluida dan mendekati
mengeluarkan panas yang lebih tinggi dari
keadaan sesungguhnya
temperatur lingkungan.
2. Humidity
dan
temperature
sangat
berpengaruh terhadap kenyamanan dalam Tabel 2. Nilai dari kecepatan, temperatur, dan
pemakaian helm tentara, ini ditunjukkan
fraksi mol H2O metode modelling
velocity, m/s
temperatur, ⁰K
0
di titik a
0
pgmtn
Jarak 0,6cm
308,60 K, titik b 309,18 K, titik c 309,18
titik a
0,31705901
K.
titik b
0,31705901
titik c
0,31705901
titik a
308,60108
titik b
309,18317
titik c
309,189951
titik a fraksi mole H2O
dari nilai suhu pada rongga
titik b titik c
0
3. Helm tentara yang digunakan saat ini, yaitu dengan jarak rongga 0,6 cm sudah tidak memenuhi
tingkat
kenyamanan
bagi
pemakai.
0,04856200 1 0,04855300 1 0,04853500 1
Daftar Pustaka Brecht, A.Van., Nuyttens D., Aerts J.M., Quanten,
S.,
Bruyne
G,
De.,
and
Berckmans D., 2007, Quantification of Dari tabel 2 dapat diketahui bahwa
ventilation characteristics of a helmet,
suhu atau temperatur pada titik a, b, dan c
International
masuk
Ergonomics 39 (2008) 332-341.
kategori
tinggi.
Dimana
tingkat
58
Journal
of
Applied
Jurnal DISPROTEK Tuakia,
F.,
Volume 7 No. 2 Juli 2016
2008,
Menggunakan
Dasar-Dasar Fluent,
CFD
Informatika
Bandung, Bandung. Computerized
Measurement
Department
of
Industrial
System, Engineering
DalhousieUniversity, Halifax, NovaScotia,
Nancy, L.B., Biman, D., 2006, A Three Dimensional
Strength
Canada.
Isometric
59
