makalah boussinesq
TRANSCRIPT
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 1/48
ANALISIS DISTRIBUSI TEMPERATUR DAN ALIRAN UDARA PADA
INKUBATOR BAYI DENGAN VARIASI TIPE DINDING DAN
OVERHEAD SCREEN
Oleh :
Ruri Agung Wahyuono1), Ridho Hantoro2), Gunawan Nugroho 3)
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri
ITS Surabaya Indonesia 60111, email: [email protected]),
[email protected]), [email protected])
MAKALAH PENELITIAN
Disusun ulang oleh:
Oxtavi Hardaningrum 140710120002 Angkatan 2012
Rahma Andini Pratiwi 140710120018 Angkatan 2012
Willy Aftika 140710120024 Angkatan 2012
Ilma Danandika Dimawani 140710120026 Angkatan 2012
Firsta Arianty Kamandika 140710120040 Angkatan 2012
Aditya Hadji Djafar 140710120042 Angkatan 2012
PROGRAM STUDI GEOFISIKA
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS PADJADJARAN
JATINANGOR
2014
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 2/48
i
KATA PENGANTAR
Puji syukur kami haturkan ke hadirat Tuhan YME, karena dengan karunia-
Nya kami dapat menyelesaiakan makalah penelitian yang berjudul “Analisis
Distribusi Temperatur dan Aliran Udara pada Inkubator Bayi dengan Variasi Tipe
Dinding dan Overhead Screen”. Meskipun banyak hambatan yang kami alami
dalam proses pengerjaannya, tapi kami berhasil menyelesaikan makalah ini tepat
pada waktunya. Tidak lupa kami sampaikan terimakasih kepada dosen pengampu
mata kuliah Dinamika Fluida Geofisika yang telah membantu dan membimbing
kami dalam mengerjakan makalah penelitian ini. Kami juga mengucapkanterimakasih kepada teman-teman mahasiswa yang juga sudah memberi kontribusi
baik langsung maupun tidak langsung dalam pembuatan makalah penelitian ini.
Tentunya ada hal-hal yang ingin kami berikan kepada masyarakat dari hasil
penelitian ini. Karena itu kami berharap semoga makalah ini dapat menjadi sesuatu
yang berguna bagi kita bersama. Penulis menyadari bahwa dalam menyusun
makalah penelitian ini masih jauh dari kesempurnaan, untuk itu penulis sangat
mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun guna sempurnanya
makalah ini. Penulis berharap semoga makalah ini bisa bermanfaat bagi penulis
khususnya dan bagi pembaca pada umumnya.
Jatinangor, Juni 2014
Penyusun
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 3/48
ii
DAFTAR ISI
Kata Pengantar ................................................................................................... i
Daftar Isi ............................................................................................................. ii
Abstrak ............................................................................................................... 1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ................................................................................ 2
1.2 Identifikasi Masalah ........................................................................ 3
1.3
Maksud dan Tujuan Penelitian ........................................................ 3
1.4 Kegunaan Penelitian ........................................................................ 3
1.5 Metode Penelitian ............................................................................ 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................ 5
BAB III METODE PENELITIAN...................................................................... 19
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1
Hasil ................................................................................................ 29
4.2
Pembahasan ..................................................................................... 37
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
Kesimpulan ...................................................................................... 42
5.2 Saran ............................................................................................... 42
Daftar Pustaka ................................................................................................... 43
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 4/48
1
ANALISIS DISTRIBUSI TEMPERATUR DAN ALIRAN UDARA PADA
INKUBATOR BAYI DENGAN VARIASI TIPE DINDING DAN
OVERHEAD SCREEN
ABSTRAK
Modifikasi bentuk inkubator seperti penambahan overhead screen dan dinding
ganda mempengaruhi tingkat kenyamanan termal ruang inkubator bayi. Penelitian
ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh modifikasi tersebut terhadap distribusi
temperatur dan kehilangan panas pada bayi. Penelitian ini berbasis Computational
Fluid Dynamics (CFD) dan berdasarkan data pengukuran dari penelitian
sebelumnya. Hasil simulasi terverifikasi dengan data pengukuran dan hasil penelitian secara eksperimen yang memiliki tren kehilangan panas konveksi dan
radiasi identik. Berdasarkan hasil simulasi, inkubator dinding ganda memiliki
kehilangan panas total yang lebih rendah dibandingkan inkubator dinding tunggal
yaitu 8 – 10 Watt dan temperatur rata-rata ruang inkubatornya juga lebih rendah 0,2
– 0,3 oC dari nilai temperatur yang diharapkan. Pada inkubator dinding tunggal,
penambahan overhead screen menyebabkan temperatur ruang lebih rendah 0,3 –
0,5 oC dari nilai yang diharapkan dan menurunkan kehilangan panas total hingga 9
Watt. Sedangkan pada inkubator dinding ganda, penambahan overhead screen
menurunkan temperatur ruang hingga 1,07 oC dan menyebabkan kehilangan panas
total meningkat 2 – 5 Watt.
Kata kunci: Inkubator, Tipe dinding, Overhead screen , Kehilangan panas
total, CFD.
ABSTRACT
Modified forms of incubators such as the addition of an overhead screen and double
wall affects the thermal comfort level of baby incubator. This study aimed to
analyze the effect of these modifications on the temperature distribution and heat
loss in the baby. This research-based on Computational Fluid Dynamics (CFD)
and based on measurement data from previous studies. The simulation results
verified with measurement data and the results of experimental studies have a
convection and radiation heat loss in trend. Based on simulation results, the double
wall incubators have lower total heat loss than the single wall incubator 8-10 Watt
and the average temperature of the incubator is also from 0.2 to 0.3 ° C from the
expected value of the temperature. In a single wall incubator, adding overhead
screen causes a lower room temperature from 0.3 to 0.5 ° C from the expected value
and lowering the total heat loss of up to 9 watts. While the double wall incubator,
adding overhead screen lowered the temperature up to 1.07 ° C and causes the total
heat loss increased about 2-5 Watt.
Keywords: I ncubator , Type of Wall , Overhead Screen, Total Heat Loss, CFD.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 5/48
2
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Permasalahan kesehatan pada bayi baru lahir (postnatal) menjadi
penyebab tingginya angka kematian bayi prematur. Perawatan pada bayi
membutuhkan kondisi lingkungan temperatur netral (Neutral Temperature
Environment, NTE). Inkubator merupakan ruang perawatan bagi bayi baru
lahir dengan berat lahir lebih rendah dari berat bayi normal. Peran inkubator
sangat vital dalam upaya awal perawatan pada bayi. Rata-rata inkubator bayi
yang ada di Indonesia merupakan inkubator dengan geometri sederhana
berdinding kaca atau akrilik lapis tunggal. Kondisi ini dikarenakan pada
inkubator berdinding tunggal, aliran udara dikenakan langsung pada bayi
melalui ventilasi di dalam ruang inkubator untuk itu mulai dikembangkan
inkubator menggunakan dinding berlapis ganda dimana aliran udara panas
dialirkan diantara kedua dinding tersebut. Modifikasi ini terbukti memilikikeuntungan yaitu mengurangi kehilangan panas evaporatif berlebih,
mengurangi produksi panas, dan mengurangi kehilangan panas radiatif
dibandingkan inkubator dengan dinding lapis tunggal. Cara lain untuk
mengurangi kehilangan panas pada inkubator berdinding tunggal adalah
menambahkan overhead screen di dalam inkubator yang dapat mengurangi
kecepatan aliran udara dari dinding atas inkubator menuju tubuh bayi dan
mengurangi laju kehilangan panas evaporatif. Penelitian tentang masalah
distribusi temperatur dan kehilangan panas pada bayi baru lahir yang dirawat
di dalam inkubator penting dilakukan. Pada penelitian ini dilakukan
identifikasi pengaruh modifikasi tipe dinding dan penambahan overhead
screen inkubator terhadap distribusi temperatur ruang inkubasi dan
kehilangan-kehilangan panas pada tubuh bayi berat lahir rendah dengan
merujuk geometri dan dimensi inkubator yang umumnya ada pada Neonatal
Intensive Care Unit (NICU) di Indonesia.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 6/48
3
1.2 Identifikasi Masalah
Pada penelitian ini dilakukan identifikasi masalah bagaimana pengaruh
modifikasi tipe dinding dan penambahan overhead screen inkubator terhadap
distribusi temperatur ruang inkubasi dan kehilangan-kehilangan panas pada
tubuh bayi dengan berat lahir lebih rendah dengan merujuk geometri dan
dimensi inkubator yang umumnya ada pada Neonatal Intensive Care Unit
(NICU) di Indonesia.
1.3 Maksud dan Tujuan penelitian
Maksud dari penelitian ini adalah melakukan modifikasi geometri
inkubator seperti penambahan overhead screen dan pemberian dinding ganda
untuk meningkatkan kenyamanan termal ruang inkubator bayi baru lahir
dengan berat lahir yang lebih rendah dari bayi normal lainnya, dengan tujuan:
1. Mengetahui pengaruh penambahan dinding dalam pada inkubator
dinding tunggal yang menyebabkan penurunan temperatur rata-rata
ruang inkubator dan kehilangan panas pada tubuh bayi.
2. Menganalisis pengaruh penambahan overhead screen pada inkubator
dinding tunggal dan inkubator dinding ganda yang menyebabkan
penurunan temperatur rata-rata ruang dan menyebabkan kehilangan
panas total.
3. Mengetahui peran inkubator dinding tunggal dan dinding ganda sebagai
model inkubator dengan distribusi temperatur dan aliran udara yang
dapat menyebabkan kehilangan panas total sehingga mendukung
tercapainya kondisi neutral temperature environment bagi bayi.
1.4 Kegunaan penelitian
Penelitian ini berguna untuk mengetahui pengaruh tipe dinding dan
penambahan overhead screen terhadap distribusi temperatur dan kehilangan
panas pada bayi.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 7/48
4
1.5 Metode Penelitian
Proses penelitian ini menggunakan simulasi Computational Fluid
Dynamics (CFD). Model turbulensi yang digunakan adalah persamaan
Reynold-Average Navier-Stokes (RANS). Model turbulensi RANS k-omega
SST (Shear-Stress Transport) digunakan dalam simulasi ini karena bilangan
Reynold aliran udara di dalam inkubator sangat rendah.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 8/48
5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Termoregulasi pada Bayi Berat Lahir Rendah
Bayi berat lahir rendah (BBLR) merupakan bayi yang lahir dengan
berat badan kurang dari atau sama dengan 2,5 kg. Secara umum, BBLR dapat
dikelompokkan menjadi prematuritas dan dismaturitas. Prematuritas adalah
bayi dengan masa kehamilan kurang dari 37 minggu dan berat badan sesuai
dengan berat badan untuk usia kehamilannya. Sedangkan dismaturitas adalah
bayi dengan berat badan kurang dari berat badan yang seharusnya untuk usia
kehamilannya [16]. Termoregulasi pada BBLR merupakan suatu pengaturan
fisiologis tubuh mengenai keseimbangan produksi panas dan kehilangan
panas sehingga temperatur tubuh dapat dipertahankan secara konstan. Tujuan
utama termoregulasi adalah mengendalikan lingkungan untuk
mempertahankan tercapainya kondisi lingkungan temperatur netral dan
meminimalkan pengeluaran energi [2]. Mekanisme termo-regulasi sangat penting bagi bayi baru lahir (neonates) karena mekanisme pengaturan panas
yang tidak sempurna akan meningkatkan risiko bayi terkena hipotermia dan
hipertemia terutama jika mengalami stress. Terutama pada bayi berat lahir
rendah, karena organ-organ tubuhnya belum terbentuk sempurna maka sangat
rentan terhadap permasalahan termal tubuh bayi.
2.2 Moda Kehilangan Panas pada Bayi
Pada saat lahir, kehilangan panas pada BBLR sangat besar melebihi
kemampuan produksi panas yang minimal, sehingga menyebabkan tidak
tercapainya keseimbangan termal tubuh bayi. Pada Gbr. 1 ditunjukkan
perbedaan produksi panas pada bayi baru lahir normal dengan bayi berat lahir
rendah pada umur 1 – 7 hari pasca kelahiran.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 9/48
6
Gbr. 1. Produksi panas oleh bayi pada lingkungan yang hangat selama satu
minggu usia pasca kelahiran [9]
Berdasarkan gambaran tersebut maka produksi panas pada tubuh bayi
merupakan fungsi massa dan umur bayi. Produksi panas pada tubuh bayi
berdasarkan pendekatan empiris dirumuskan sebagai berikut [15]:
0,0522 + 1,64 (1)
dengan m adalah massa bayi dalam kg dan p adalah umur bayi dalam satuan
hari. Mekanisme atau moda kehilangan panas pada bayi berat lahir rendah
meliputi konduksi, konveksi, evaporasi, dan radiasi [17].
1. Konduksi
Konduksi didefinisikan sebagai perpindahan energi dari molekul-
molekul dari tubuh ke molekul-molekul dari objek solid yang
bersentuhan langsung dengan tubuh. Bayi yang dibaringkan di atas
matras diperkirakan 10% permukaan tubuhnya berkontak langsungdengan matras. Aliran panas melalui matras oleh konduksi termal
diberikan pada persamaan berikut :
(2)
dengan Qcond adalah aliran panas konduksi (W), k adalah konstanta
konduktivitas termal untuk matras (W m-1 K -1), A adalah luas
permukaan konduktif yang dilalui aliran panas (m2), dan dT/dx adalah
gradien temperatur terhadap jarak kontak pada matras.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 10/48
7
2.
Konveksi
Konveksi adalah perpindahan energi termal dari molekul-
molekul tubuh bayi ke molekul-molekul dari udara yang berdekatan dan
disebabkan beberapa variabel meliputi posisi bayi (tertekuk atau lurus),
luas permukaan tubuh, berat badan, temperatur dan arus udara pada
inkubator, serta keadaan kulit epidermis bayi. Kehilangan panas
konveksi ini dirumuskan sebagai berikut:
ℎ ∆ (3)
dengan Qconv adalah aliran panas konveksi (W), h adalah konstanta
konveksi termal (W m-2 K -1), A adalah luas permukaan konveksi yang
dilalui aliran panas (m2), dan ∆T adalah perbedaan temperatur (K).
3. Radiasi
Kehilangan panas akibat radiasi didefinisikan sebagai laju total
kehilangan panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik antara
tubuh dan permukaan lingkungan yang tidak bersentuhan dengan tubuh
misalnya dinding inkubator. Kehilangan panas akibat radiasi tergantung
pada beberapa faktor, termasuk temperatur kulit, permukaan relatif dan
geometri bagian tubuh terkena radiasi, jarak dan sudut ke objek iradiasi,
emisivitas kulit bayi, dan emisivitas objek iradiasi.
4.
Evaporasi
Evaporasi merupakan perpindahan panas total oleh energi
terbawa pada molekul-molekul air dari permukaan kulit dan saluran
respirasi ke udara lingkungan yang lebih kering. Besarnya evaporasi
dipengaruhi umur kehamilan bayi serta umur pasca kelahiran dan
perbedaan antara tekanan parsial uap air sekitar permukaan kulit bayi
dan udara lingkungan. Kehilangan panas evaporasi dirumuskan sebagai
berikut [15]:
ℎ (4)
dengan Qevp adalah aliran panas evaporasi (W), mv adalah laju
evaporasi (kg/s), dan hfg adalah entalpi penguapan air (kJ/kg).
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 11/48
8
2.3 Kenyamanan Termal di Dalam Inkubator Bayi
Secara umum, Peter Hoppe [18] memaknai kenyamanan termal dengan
tiga pendekatan yaitu pendekatan thermophysiological, pendekatan
keseimbangan panas, dan pendekatan psikologis. Pendekatan keseimbangan
panas digunakan untuk menyatakan kenyamanan termal bayi di dalam
inkubator. Kenyaman termal dicapai apabila aliran panas ke dan dari badan
bayi seimbang dan temperatur kulit serta tingkat berkeringat badan ada dalam
rentang nyaman. Variabel-variabel yang menentukan kenyamanan termal
adalah variabel personal dan variabel iklim ruang. Variabel personal yang
meliputi laju metabolisme yang diwujudkan dalam variabel aktivitas dan laju
insulasi pakaian yang diwujudkan dalam variabel cara berpakaian. Variabel
iklim ruang meliputi temperatur udara, temperatur radiasi rata-rata,
kelembaban udara relatif; dan pergerakan udara atau kecepatan angin.
Kelembaban relatif yang diijinkan dalam inkubator bayi adalah 50 – 60 %.
Sedangkan untuk nilai-nilai temperatur untuk perkembangan bayi dalam
inkubator telah distandarkan oleh WHO seperti pada tabel berikut.
TABEL I
REKOMENDASI TEMPERATUR PADA INKUBATOR SESUAI USIA
[17]
Berat Badan
Bayi
Temperatur Inkubator Sesuai Usia Pasca Kelahiran
° C ° C ° C ° C
< 1,5 kg 1 – 10 hari 11 hari – 3
minggu
3 – 5
minggu
> 5 minggu
1,5 – 2,0 kg 1 – 20 hari 11 hari – 4
minggu
> 4 minggu
2,1 – 2,5 kg 1 – 2
bulan
3 hari – 3
minggu
> 3 minggu
> 2,5 kg 1 – 2 hari > 2 hari
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 12/48
9
Pada kasus tertentu, inkubator bayi berdinding tunggal, temperatur
inkubator ditingkatkan 1oC setiap perbedaan temperatur 7oC antara ruangan
dan inkubator (WHO 2008).
2.4 Pemodelan Perpindahan Panas dan Massa pada Bayi
Pada pemodelan perpindahan panas dan massa setidaknya memenuhi
persamaan konservasi energi, momentum, dan massa (kontinuitas). Model-
model matematis yang merepresentasikan proses fisis perpindahan panas dan
massa dijelaskan sebagai berikut [20].
1.
Persamaan Energi
Persamaan energi secara umum dinyatakan dengan persamaan
berikut:
+∇.( + ) ∇ . ( ∇ ∑ ℎ ) +∇.( .)+ (5)
dengan keff adalah konduktivitas efektif yang besarnya sama dengan
k + kt (kt adalah konduktivitas termal akibat adanya turbulensi aliran
fluida), dan
adalah fluks panas akibat difusi spesies j. Tiga suku
pertama pada ruas kanan (5) berturut-turut merepresentasikan
perpindahan energi akibat konduksi, difusi spesies, dan disipasi
viskositas. Sedangkan Sh merupakan panas yang dihasilkan oleh reaksi
kimia dan sumber panas lain.
Pada area padatan (tubuh bayi), persamaan perpindahan energi
dinyatakan dalam bentuk:
ℎ + ∇. ℎ ∇. ∇ +
(6)
dengan adalah densitas padatan, h adalah entalpi sensibel, k adalah
konstanta konduktivitas bayi, T adalah temperatur padatan, dan Sh
dalah sumber panas volumetrik. Suku kedua pada ruas kiri persamaan
tersebut merepresentasikan perpindahan energi secara konveksi oleh
pergerakan rotasi dari bayi. Ruas kanan persamaan energi tersebut
merupakan fluks panas akibat konduksi dan sumber panas volumetrik
dari tubuh bayi. Apabila tidak terdapat reaksi kimia yang melibatkan
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 13/48
10
spesies tertentu, maka semua suku – suku pada (5) dan (6) yang
diakibatkan fraksi spesies dapat diabaikan.
Dengan demikian perhitungan numerik untuk analisis
perpindahan panas dapat disederhanakan sebagai berikut:
∇∇ (7)
dengan T adalah temperatur (K), k adalah konduktivitas termal (W/m
K), adalah densitas (kg/m3), c adalah kalor jenis (W/kg.K), dan t
adalah waktu (s). Turunan dari ruas kanan (7) merupakan turunan total
dari: + + + + .∇ (8)
dengan ux, uy, dan uz adalah komponen kecepatan dari vektor
kecepatan u (m/s) pada arah x, y, dan z. Oleh karena analisis dilakukan
pada keadaan tunak, maka suku pertama pada (8) dapat dihilangkan.
2.
Persamaan kontinuitas dan momentum
Persamaan (7) dan (8) dapat dikomplemenkan dengan persamaan
kontinuitas dan momentum berikut ini [17].∇ . 0 (9)
∇ + ∇ (10)
dengan p adalah tekanan (N/m2), F adalah gaya pada tubuh bayi.
Gbr. 2. Geometri dan arah model bayi di dalam inkubator.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 14/48
11
Pada kasus ini hanya terdapat gaya pada komponen vertikal Fz
sebesar
g pada sumbu z (lihat Gbr. 2), g adalah percepatan gravitasi
(m/s2), dan µ adalah viskositas dinamik (N s/m2).
2.5 Persamaan Boussinesq
Persamaan Boussinesq untuk aliran berlapis (misalnya lapisan atmosfir
atau laut) mengasumsikan bahwa aliran fluida itu mampat namun
mengalirkan secara konveksi sejumlah difusi yang membawa cairan dengan
daya apung positif atau negatif. Kuantitas apung ini diidentifikasi dengan
fungsi linear dari penyimpangan suhu atau densitas dari keseimbangan
hidrostatik adiabatik.
1. Defisini dari Kuantitas
2.
Hukum Kesetimbangan
Untuk menurunkan persamaan persamaan ini, kita mulai dengan
menuliskan persamaan kesetimbangan untuk massa, momentum, dan
energy panas.
a. Kekekalan Massa
+ ∇ . 0 , ∇.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 15/48
12
Pendekatan persamaan Boussinesq mengasumsikan bahwa
∇ . ≃ 0
b. Kekekalan Momentum
∇ + ∇ . σ
Dimana tensor tegangan viskos dinyatakan oleh ∇ . +∇ + ∇ dengan −3 serta mengasumsikan bahwa
∇ ≃ 0 , ∇ ≃ 0dan
∇ . ≃ 0, maka persamaan diatas dapat
disederhanakan menjadi :
≃ ∇ + ∇
c. Energi Panas
Keseimbangan dari energy panas dapat ditulis :
: ∇ ∇ .
dimana + dan untuk memperoleh persamaan ini, maka
persamaan kesetimbangan panas ditulis menjadi
+ 2 ∇ . . ∇ .
lalu kurangi dengan persamaan kesetimbangan energy kinetik ( u
dot momentum ) :
2 ∇ . .
Dalam persamaan kesetimbangan energy panas, kita
mengabaikan tegangan viskos , maka persamaan menjadi
+ ∇ . ∇ .
Sekarang kita dapat menyederhanakan persamaan.
Persamaan bagian kiri menggunakan persamaan gas ideal dan menjadi :
dan menggunakan
l n + l n
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 16/48
13
∇ . ln
lnln
l n
maka sisi kiri menjadi
+ ⏟−
Dan untuk menyederhanakan bagian kanan, maka kita
asumsikan ∇ dan ∇ ~ 0, maka didapatkan :
~ + ∇
~ + ∇, dimana ≔
kita gunakan ∇ ~ 0
3. Kesetimbangan Hidrostatik
Sebuah cairan berlapis dikatakan dalam kesetimbangan
hidrostatik jika saat dia istirahat (u = 0) dan variabel cairannya hanyafungsi ketinggian z. Maka , , , 0 menjadi variabel
atmosfir saat sedang dalam kesetimbangan hidrostatik. Kekekalan
momentum hanya menyatakan atmosfir dalam keseimbangan
hidrostatik, ia harus memenuhi keseimbangan kekuatan statis tekanan
dan gaya gravitasi:
4.
Kesetimbangan Hidrostatik AdiabatikSebuah kesetimbangan hidrostatik dikatakan stabil jika untuk
setiap volume uji dipilih dari setiap tingkat kolom cairan, jika kita
mengangkutnya ke tingkat cairan yang lain dan secara adiabatik
mengubah tekanan untuk menyesuaikan tekanan pada tingkat yang
baru, volume uji akan mengalami gaya apung dalam arah yang
mendorong ke arah aslinya. (Ingat bahwa volume uji mengalami gaya
apung ketika densitas berbeda dari densitas fluida sekitarnya). Jika
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 17/48
14
volume yang diuji secara adiabatik tidak pernah mengalami aya apung,
kolom cairan dikatakan dalam keseimbangan yang netral. Suasana
netral stabil seperti ini isebut suasana isentropik atau adiabatik. Entropi
suasana seperti ini adalah konstan dengan ketinggian. Hal ini
dikarenakan oleh :
a. Entropi adalah invarian dari proses adiabatik
b. Entropi adalah fungsi dari tekanan dan kepadatan
c. Di atmosfir netral dan stabil tekanan dan kepadatan volume uji
adiabatik selalu sama dengan
cairan sekitarnya.
5. Kesetimbangan Gas Ideal Hisrostatik
a. Entropi
Untuk menentukkan rumusan kesetimbangan isentropic,
kita menuliskan persamaan – persamaan untuk turunan dari
entropi :
+ + ln + ln
l n l n ln− =−
( l n l n ) ln−=−
( l n l n ) ln− =−
b. Hubungan Gas Ideal Isentropik
Untuk atmosfir isentropic, 0 , sehingga rumus
diferensial entropi menghasilkan hubungan isentropic antara
variabel pada ketinggian dan z:
− , ⁄
− ,
−
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 18/48
15
Hubungan terakhir ini memberikan kita sebuah rumus
eksplisit untuk suhu potensial. Suhu potensial didefinisikan
sebagai suhu yang dimiliki sebidang udara jika itu dibawa ke
adiabatik suhu acuan. Jadi, jika kita mengambil pO sebagai
temperatur referensi (biasanya 1000 mbars), suhu potensial
adalah
≔ −
c.
Skala lapse dari Gas Ideal Adiabatik
Ingat isentropic : ln ln
Ingat gaya keseimbangan hidrostatik :
Dibagi dengan p, dengan menggunakan , maka menjadi
l n
Dikali dengan, maka l n , , . . ,
6. Gangguan Dari Keseimbangan Hidrostatik
Untuk setiap variabel keadaan q membuat q0 (z) mewakili
keseimbangan hidrostatik berlapis. Tuliskan variable keadaan sebagai
gangguan dari keseimbangan hidrostatik :
+ ′ a.
Gangguan Dari Keseimbangan Momentum Hidrostatik
Ingat kembali hokum kesetimbangan yang kita turunkan
untuk momentum
∇ + ∇
dan kurangi persamaan kesetimbangan hidrostatik
0 ∇
Kita dapatkan
+ ′ ′ ∇ ′ + ∇
dibagi dengan menjadi
1 + ′
′
1 ∇′ + ∇
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 19/48
16
dimana, ≔ adalah viskositas kinematik. Dengan asumsi
persamaan Boussinesq ′ ≪ menjadi :
≃ ′ 1 ∇′ + ∇
b. Gangguan Dari Keseimbangan Energi Termal Hidrostatik
Substitusikan ekspansi gangguan menuju keseimbangan
yang kita turunkan untuk energy thermal :
+ ′ + ′ +
′
+ ∇ + ′
dan kurangi hubungan kesetimbangan hidrostatiknya,
+ ∇
asumsikan Boussines ′ ≪ , kita dapatkan
′ ′ + ∇′
c. Gangguan Dari Keseimbangan Energi Panas Tropis Hidrostatik
Dipilih referensi kesetimbangan hidrostatik yang kita dapat
mengabaikan
Kita dapat mengabaikan istilah ini jika kita mengasumsikan
kesetimbangan hidrostatik adalah isentropik. Dalam keadaan
sebuah elemen volume yang alirannya konveksi maka akan
sejalan dengan kesetimbangan hidrostatik, perjanjian ini akan
bertahan, variabel yang sedikit berbeda dari kesetimbangan
hidrostatik, perbedaannya akan cenderung bertahan (asumsi
difusi).
Istilah ini pada dasarnya merupakan kontribusi terhadap
perubahan dari gangguan suhu karena asi dari kesetimbangan
hidrostatik dari isentropic.
d. Gangguan Dari Keseimbangan Hidrostatik Sebagai Gangguan
Dari Isentropik Kesetimbangan Hidrostatik.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 20/48
17
Secara umum atmosfir dekat dengan kesetimbangan
hidrostatik, tetapi keseimbangan yang biasanya tidak isentropik.
Perluas setiap variabel q sebagai + +′ dimana + : merepresentasikan kesetimbangan
hidrostatik sebernarnya di atmosfir, dan dimana
merepresentasikan beberapa kesetimbangan isentropic
hidrostatik. Definisikan + ′, sebagai gangguan
dari kesetimbangan isentropic.
Ingat bahwa
l n l n + l n . Asumsikan bahwa
gangguan dari isentropic kecil, ini berarti ≃ + . Bahwa,
≃ . Kita menggunakan ini untuk
mengeliminasi T dari persamaan difusi panas +∇ : +∇
dengan + ′ dan ∇ ≃ 0,
′ ′ + . ⏟ − +∇ ′ ′
Abaikan turunan dari deviasi tekanan ′ dan ∇′ (Tampaknya ini dibenarkan oleh asumsi keseimbangan
kuasihidrostatik dan kuasigeostropik) Ini memberikan
kembangan persamaan untuk gangguan dalam densitas:
′
. + ∇
′
7.
Pola Boussinesq
Persamaan Boussinesq secara lengkap :
∇ . 0
′ 1 ∇′ + ∇
′ . + ∇ ′
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 21/48
18
Dalam rangka untuk mengurangi jumlah parameter per satu, kita
mendefinisikan "frekuensi daya apung" N dan gangguan suhu yang
diubah skalanya θ dan tekanan p oleh
≔
′ √
′
Ini memberikan sistemBoussineq dengan jumlah minimum
parameter bebas:
∇ . 0
∇ + ∇
. + ∇
8.
Model Boussinesq
Pada banyak aliran konveksi alami, konvergensi dari perhitungan
numerik dapat semakin cepat dicapai dengan menggunakan model
Boussinesq. Model ini membuat nilai densitas fluida (pada kasus ini
adalah udara) sebagai fungsi temperatur. Persamaan matematis untuk
model Boussinesq dapat dinyatakan sebagai berikut:
( 1 ) (11)
dengan adalah koefisien ekspansi termal (1/K), T0 dan 0
merepresentasikan parameter operasi. Pendekatan ini akurat selama perubahan densitas nyata adalah kecil. Dengan kata lain, pendekatan
Boussinesq adalah valid ketika β(T -T o ) ≪ 1.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 22/48
19
BAB III
METODE PENELITIAN
Proses penelitian ini menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamics
(CFD). Model turbulensi yang digunakan adalah persamaan Reynold-Average
Navier-Stokes (RANS). Model turbulensi RANS k-omega SST (Shear-Stress
Transport) digunakan dalam simulasi ini karena bilangan Reynold aliran udara di
dalam inkubator sangat rendah. Alur penelitian ditunjukkan berikut :
YaData-data variable fisis
inkubator bayi (Temp,
RH, airflow)
Inisiasi variabel fisis pada incubator bayi
Simulasi distribusi temperature di inkubator bayi dengan CFD
Konver en
Verifikasi
A
Mendapatkan disain-geometri dan beberapa nilai vaiabel fisis
dalam incubator bayi di BPFK Surabaya
Menggambar geometri incubator bayi (tanpa bayi) dengan
perangkat lunak CAD
Pendefinisian bidang batas pada geometri dan pengecekan
mesh
Mulai
Mesh baik
Tidak
Tidak
Ya
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 23/48
20
Gbr 3. Diagram alir penelitian perpindahan panas dan massa pada inkubator
bayi
A
Menentukan modifikasi tipe
dinding dan overhead screen pada
incubator ba i
Menggambar geometri incubator
termodifikasi dengan CAD dan
penentuan kondisi batas
Mesh
Inisiasi variabel fisis pada
incubator bayi
Simulasi distribusi temperaturedan kehilangan panas pada bayi
den an CFD
Mengumpulkan data
property fisis komponen
inkubator
Konver
Analisis dan pembahasan
Penyusunan Laporan Akhir
Selesai
Tidak
Tidak
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 24/48
21
Penjelasan secara lebih detil dari langkah-langkah pengerjaan penelitian ini
adalah sebagai berikut.
3.1 Disain dan Geometri Inkubator
Disain dan geometri inkubator bayi yang menjadi rujukan dalam
penelitian ini adalah inkubator AMECARE di BPFK Surabaya. Disain
inkubator bayi ini dimodelkan dengan geometri tiga dimensi yang telah
disederhanakan mengguna-kan perangkat lunak Gambit. Ukuran ruang utama
inkubator pada pemodelan ini adalah panjang (x) sebesar 76 satuan, lebar (y)
sebesar 46 satuan, dan tinggi (z) bagian depan 31 satuan dan bagian belakang
45 satuan. Geometri inkubator dan hasil pemodelan dari ruang inkubator bayi
dapat di lihat pada Gbr. 4 berikut ini.
Gbr 4. Disain inkubator bayi: (a) model asli dan (b) hasil pemodelan
dengan menggunakanperangkat lunak Gambit.
Inkubator kosong ini selanjutnya disimulasikan untuk pemberian udara
panas dengan pengaturan temperatur ruang 5 sebesar 32oC, 33oC, dan 35oC.
Apabila data hasil simulasi terverifikasi oleh data pengukuran dengan hasil
yang baik (toleransi kesalahan maksimum 5%), maka langkah penelitian
dilanjutkan dengan memodelkan bayi di dalam empat model inkubator (skala
1:1) yaitu inkubator dinding tunggal, dinding tunggal dengan overhead
screen, dinding ganda, dan dinding ganda dengan overhead screen. Hasil
pemodelan ini dapat dilihat pada Gbr. 5 berikut.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 25/48
22
Gbr. 5. Geometri inkubator (a) dinding tunggal, (b) dinding tunggal dengan
overhead screen, (c) dinding ganda, dan (d) dinding ganda dengan overhead
screen.Pada pemodelan inkubator yang telah dimodifikasi, geometri overhead
screen dibuat pada jarak 3 satuan dari dinding atas. Dinding ganda juga
dibuat pada jarak 3 satuan dari dinding terluar sisi depan hingga belakang
melalui dinding atas. Pada inkubator dinding ganda dengan overhead screen,
pemasangan screen dipilih pada jarak 2 satuan dari dinding atas bagian
dalam. Bayi dimodelkan dengan panjang lebih kurang 40 cm dan luas
permukaan tubuh 0,098 m2.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 26/48
23
3.2 Diskritisasi Geometri Inkubator dan Bayi
Langkah selanjutnya setelah pemodelan geometri inkubator dan bayi
adalah melakukan diskritisasi volume pada masing-masing inkubator. Pada
diskritisasi ini digunakan tipe mesh tetrahedral-hibrid. Pada inkubator
dengan penambahan bayi dilakukan pemisahan (split) volume yang masih
terkoneksi. Metode diskritisasi ini dilakukan untuk menghasilkan hasil
simulasi yang lebih baik karena analisis ditekankan pada daerah dekat
permukaan kulit bayi. Pada Gbr. 6 ditunjukkan penampang depan inkubator
dengan bayi yang telah didiskritisasi. Hasil pemisahan volume dapat dilihat
pada garis horisontal berwarna hijau di atas bayi setinggi 11,5 satuan dari
dasar inkubator. Pada keempat gambar tersebut terlihat bahwa kerapatan
elemen volume diskrit pada volume bagian bawah dan atas inkubator
berbeda. Elemen volume diskrit bagian bawah inkubator (meliputi bayi dan
matras) lebih rapat dibandingkan sebelah atasnya. Pada bagian bawah interval
jarak diskritisasi adalah 0,8 satuan sedangkan interval jarak diskritisasi bagian
atas adalah 1,2 satuan.
Gbr. 6. Diskritisasi geometri inkubator dan bayi di dalam inkubator (a)
dinding tunggal, (b) dinding tunggal dengan overhead screen, (c) dinding
ganda, dan (d) dinding ganda dengan overhead screen.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 27/48
24
Hasil diskritisasi pada inkubator dinding tunggal mengha-silkan
457.890 elemen. Pada inkubator dinding tunggal dengan overhead screen
dihasilkan 454.876 elemen. Pada inkubator dinding ganda dihasilkan elemen
sebanyak 453.112 elemen dan hasil diskritisasi inkubator dinding ganda
dengan overhead screen menghasilkan 452.264 elemen.
3.3 Pengukuran Besaran Fisis Temperatur dan Kecepatan
Aliran Udara dan Verifikasi Hasil Simulasi Pengukuran temperatur dan
kecepatan aliran udara berguna untuk memverifikasi data hasil simulasi
menggunakan CFD. Data pengukuran untuk verifikasi diambil di empat titik
pengukuran temperatur yang merepresentasikan temperatur udara di kepala
(T1), abdomen (T2), kaki (T3), dan matras (T4). Kecepatan aliran udara
diukur di satu titik yang merepresentasikan aliran udara dekat dengan
abdomen bayi. Pengukuran ini dilakukan dengan menggunakan alat ukur
standar ANSI/AAMI 1136 – 1997 yaitu incu analyzer sebagaimana
ditunjukkan oleh Gbr. 7 di bawah ini.
Gbr. 7. Alat ukur standar variabel fisis di dalam inkubator, incu analyzer,
BPFK.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 28/48
25
Pengukuran ini dilakukan untuk tiga pengaturan temperatur ruang
32oC, 33oC, dan 35oC. Masing-masing titik diambil data pengukuran
sebanyak 10 kali dan diambil nilai rata-rata temperatur pada masing-masing
titik serta kecepatan aliran udara. Data pengukuran ini selanjutnya
ditambahkan faktor koreksi dari sertifikat kalibrasi yang diterbitkan oleh
BPFK 6 Surabaya. Data pengukuran yang telah dikoreksi ini yang selanjutnya
digunakan sebagai data pemverifikasi.
3.4 Penentuan Jenis Kondisi Batas
Penentuan kondisi batas merupakan tahapan penyelesaian CFD.
Tahapan penyelesaian ini menggunakan perangkat lunak Fluent metode 3ddp
(3 dimensions double precision). Skala diskritisasi pada tahap penyelesaian
ini adalah 1 skala satuan mewakili panjang 1 cm. Simulasi dilakukan dalam
keadaan tunak ( steady). Persamaan fisis yang digunakan dalam simulasi ini
adalah persamaan energi, viskositas model k-omega SST, dan radiasi model
DO (Discrete Ordinates). Model radiasi DO digunakan karena adanya bahan
yang bersifat mengabsorpsi dan bahan semi transparan seperti dinding
inkubator. Pada geometri tubuh bayi dimasukkan nilai emisivitas dari tubuh
bayi sebesar 0,95 dan fluks panas sebesar 1,70264 Watt. Adapun
pendefinisian material penyusun dinding inkubator mengacu pada tabel di
bawah ini.
TABEL II
PROPERTI FISIKA KONDISI BATAS DINDING INKUBATOR BAYI,
MATERIAL SEMITRANSPARAN [15]
Properti Fisika Nilai
Massa jenis /3 1,450
Kapasitas panas / 0,960
Konduktivitas panas / 0,036
Koefisien absorpsi − 220,000
Emisivitas internal 0,920
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 29/48
26
Domain dari inkubator bayi adalah fluida berupa udara. Nilai dari
properti fisika yang dimasukkan pada pendefinisian material udara dalam
Fluent sedikit berbeda dengan nilai default basis data Fluent. Hal ini
disebabkan pemodelan ini menggunakan pendekatan Boussinesq. Dengan
menggunakan pendekatan ini, konvergensi solusi numerik diharapkan cepat
tercapai. Nilai properti fisika dari udara dapat dilihat pada tabel di bawah ini.
TABEL III
PROPERTI FISIKA KONDISI BATAS UDARA DI DALAM
INKUBATOR [15]
Properti Fisika Nilai
Luas area masukan udara panas 0,00645
Luas area keluaran infiltrasi 0,6 x 10−
Massa Jenis /3 1,225
Pengaturan temperatur udara masukan ° C 32; 33; 35
Kapasitas panas
/ 1,006
Konduktivitas panas / 0,0268
Viskositas udara / 1,9 x 10−
Koefisien ekspansi termal − 0,003326
Pada pendefinisian kondisi batas matras inkubator bayi, dipilih panas
pada matras tidak berkontribusi pada radiasi dan moda perpindahan panas
yang lain. Hal ini diasumsikan bahwa kondisi adiabatik terjadi antara matras
dan tubuh bayi. Kondisi adiabatik terjadi pada kondisi tunak karena telah
tercapai kesetimbangan panas diantara tubuh bayi dan bidang matras. Pada
kondisi batas yang lain dimasukkan nilai-nilai parameter fisis berbeda-beda
setiap pengaturan temperatur ruang inkubator bayi. Pada tabel berikut,
ditunjukkan perbedaan nilai parameter fisis setiap pengaturan temperatur
ruang.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 30/48
27
TABEL IV
NILAI PARAMETER FISIS BEBERAPA KONDISI BATAS
INKUBATOR PADA PENGATURAN TEMPERATUR RUANG
TERTENTU
Kondisi BatasNilai parameter fisis pada:
° C ° C ° C
Kecepatan masukan udara
panas (m/s)
0,15 0,14 0,09
Temperatur masukan udara
panas (K)
305,75 306,93 309,50
Temperatur keluaran infiltrasi
(K)
304,23 305,46 308,51
Temperatur dinding luar (K) 304,42 305,50 307,50
Temperatur dinding dalam (K) 304,51 305,76 307,92
Temperatur screen (K) 304,40 305,63 307,74
Langkah selanjutnya pada pengendali solusi (control solution) untuk
semua persamaan dipilih pengkopelan tekanan-kecepatan moda simple dan
second order upwind untuk diskritisasinya. Pada simulasi ini tidak dilakukan
perubahan terhadap nilai batas konvergensi (under relaxation factor ) dari
nilai standarnya. Besarnya nilai under relaxation ini mempengaruhi proses
iterasi yaitu menentukan cepat lambatnya konvergensi perhitungan numerik.
Pada penelitian kali ini nilai faktor relaksasi yang digunakan adalah nilai
standar.
3.5 Visualisasi Hasil Simulasi dengan CFD
Visualisasi hasil tahapan penyelesaian dilakukan dengan menggunakan
perangkat lunak CFD post ANSYS 12.1. Hasil simulasi yang ditampilkan
dalam bentuk kontur adalah temperatur, fluks panas radiasi, koefisien
perpindahan panas pada dinding. Kontur temperatur dari hasil simulasi
diambil pada dua bidang yang berpotongan melalui simetri tubuh bayi. Pada
kontur temperatur bidang yang diambil dapat dievaluasi apakah temperatur
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 31/48
28
udara telah memenuhi temperatur ruang yang diharapkan pada inkubator.
Kehilangan panas secara radiasi dapat divisualisasikan dengan menunjukkan
kontur fluks panas radiasi. Kehilangan panas secara konveksi dapat
ditunjukkan dengan kontur koefisien perpindahan panas pada dinding dalam
kasus ini permukaan tubuh bayi (Fluent manual, 2006). Besarnya laju
kehilangan panas secara evaporasi adalah tetap namun banyaknya panas yang
hilang karena evaporasi ditentukan oleh kuantitas aliran udara yang mengalir
pada sekitar tubuh bayi. Untuk melihat kuantitas aliran udara ini digunakan
visualisasi path line kecepatan udara dengan off point yang sama pada semua
simulasi.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 32/48
29
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Penelitian
Hasil simulasi awal mengenai distribusi temperatur telah terverifikasi
dengan data pengukuran untuk menentukan nilai-nilai kondisi batas pada
inkubator bayi serta hasil simulasi 7 akhir mengenai kehilangan panas telah
terverifikasi dengan hasil penelitian lain yang dilakukan secara
eksperimental.
4.1.1 Verifikasi Hasil Simulasi dengan Pengukuran
Verifikasi simulasi CFD inkubator bayi berguna untuk bahwa
hasil simulasi ini benar-benar mendekati keadaan fisis di dalam
inkubator yang sebenarnya. Verifikasi dilakukan pada temperatur udara
ruang pada tiga titik (T1, T2, dan T3), temperatur matras T4, dan
kecepatan aliran udara.
Gbr. 8. Verifikasi temperatur hasil simulasi CFD pada titik
pengukuran T1 dan T2 terhadap data pengukuran.
Berdasarkan Gbr. 8 dapat diinterpretasikan bahwa pada kedua
titik pengukuran, nilai temperatur pengukuran dan simulasi memiliki
kesalahan yang sangat kecil. Pada titik T1, kesalahan hasil simulasi
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 33/48
30
terkecil adalah 0,86% dan kesalahan terbesar adalah 2,42%. Sedangkan
pada titik T2, kesalahan hasil simulasi terkecil adalah 0,36% dan
kesalahan terbesar adalah 0,83%.
Gbr. 9. Verifikasi temperatur hasil simulasi CFD pada titik
pengukuran T3 dan T4 terhadap data pengukuran.
Pada Gbr. 9 ditunjukkan hasil verifikasi temperatur hasil
simulasi untuk titik T3 dan T4. Pada titik T3, kesalahan hasil simulasiterkecil adalah 0,54% untuk pengaturan temperatur 35oC dan kesalahan
simulasi terbesar adalah 2,37% untuk pengaturan temperatur 33oC.
Pada titik T4, kesalahan hasil simulasi terkecil adalah 0,44% untuk
pengaturan temperatur 35oC dan kesalahan simulasi terbesar adalah
0,51% untuk pengaturan temperatur 32oC. Berbeda dengan verifikasi
hasil simulasi temperatur, pada hasil simulasi kecepatan aliran udara
pada titik yang sama dengan titik pengukuran terdapat nilai error yang
cukup besar. Pada pengaturan temperatur ruang 32oC, besarnya
kecepatan aliran udara pada hasil simulasi 5,50% lebih tinggi dari hasil
pengukuran. Pada pengaturan temperatur ruang 33oC, kecepatan aliran
udara hasil simulasi 3,37% lebih tinggi dari data pengukuran. Nilai
kesalahan kecepatan aliran udara hasil simulasi terbesar pada
pengaturan temperatur 35oC yaitu 20% lebih rendah dari data
pengukuran.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 34/48
31
Gbr. 10. Verifikasi kecepatan aliran udara hasil simulasi CFD
terhadap data pengukuran.
Nilai kesalahan yang cukup besar pada hasil simulasi kecepatan
aliran udara terhadap data pengukuran dikarenakan resolusi pada alat
ukur adalah 0,01 ms-1 sedangkan ketelitian hasil simulasi hingga 0,001
ms-1. Namun demikian, secara keseluruhan kesalahan hasil simulasi
terhadap data pengkuran sangatlah kecil, sehingga dapat dinyatakan
bahwa hasil simulasi telah terverifikasi dengan hasil yang baik.
4.1.2 Distribusi Temperatur
Hasil visualisasi distribusi temperatur pada area disekitar tubuh
bayi dapat dilihat pada Gbr. 11 di bawah ini. Distribusi yang
ditampilkan pada gambar tersebut adalah distribusi temperatur pada
pengaturan temperatur ruang 32oC, hasil ini identik untuk semua
pengaturan temperatur.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 35/48
32
Gbr. 11. Kontur distribusi temperatur (K) pada pengaturan
temperatur ruang 32oC dalam inkubator (a) dinding tunggal, (b)
dinding tunggal dengan overhead screen, (c) dinding ganda, (d)
dinding ganda dengan overhead screen.
Distribusi temperatur yang paling baik dimiliki oleh inkubator
dinding tunggal dengan penurunan temperatur rata-rata ruang yang
tidak signifikan 0,1 – 0,3oC. Pada model inkubator yang lain, terutama
inkubator dinding ganda dengan overhead screeni terjadi penurunan
temperatur rata-rata ruang yang sangat signifikan. Pada temperatur
35oC, nilai temperatur rata-rata ruang pada inkubator model ini dapat
turun 0,5 – 1,07oC yang berarti bahwa pada pengaturan temperatur
yang lebih tinggi lainnya memungkinkan untuk temperatur ruang 8
lebih rendah dari yang diharapkan. Oleh karena itu, pengkondisian
ruang menjadi tidak sesuai dengan salah satu kriteria kenyamanan
termal yang diharapkan.
4.1.3 Distribusi Aliran Udara
Distribusi aliran udara di dalam inkubator dianalisis untuk
mengetahui pengaruh aliran udara terhadap kehilangan panas secara
evaporasi dan konveksi pada tubuh bayi. Profil aliran udara dilapisan
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 36/48
33
batas (boundary layer) sangat menentukan besarnya perpindahan panas
secara konveksi. Pada temperatur 32oC, penambahan overhead screen
pada inkubator dinding tunggal menambah kecepatan aliran udara balik
ke tubuh bayi yaitu dari 0,00332m/s menjadi 0,01592 m/s. Pada
inkubator dinding ganda, penambahan overhead screen tidak
menyebabkan peningkatan yang signifikan kecepatan aliran udara balik
menuju tubuh bayi. Kuantitas aliran udara juga berkurang sangat
signifikan seperti Gbr. 12.
Gbr. 12. Path line kecepatan udara (m/s) pada pengaturan
temperatur 32oC di dalam inkubator (a) dinding tunggal, (b) dinding
tunggal dengan overhead screen, (c) dinding ganda, (d) dinding
ganda dengan overhead screen.Keadaan distribusi aliran udara yang sama juga didapati dalam
inkubator pada temperatur ruang 33oC. Terdapat perbedaan distribusi
aliran udara di dalam inkubator dinding tunggal pada temperatur ruang
35oC. Magnitudo kecepatan aliran udara yang menuju ke tubuh bayi
berkurang dari 0,00465 m/s menjadi 0,00262 m/s. Sebaliknya pada
inkubator dinding ganda, penambahan overhead screen menyebabkan
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 37/48
34
kecepatan aliran udara balik cukup signifikan yaitu dari 0,00304 m/s
menjadi 0,01379 m/s.
4.1.4 Kehilangan Panas Radiasi
Kehilangan panas secara radiasi diamati pada kontur fluks panas
radiasi yang terlihat pada badan bayi. Fluks kehilangan panas radiasi
pada tubuh bayi merupakan interaksi radiatif tubuh bayi dengan benda-
benda padat semi transparan yang mengelilinginya seperti dinding luar
inkubator, dinding dalam inkubator, matras, dan overhead screen.
Hasil simulasi kehilangan panas radiasi pada tubuh bayi di dalam empat
model inkubator untuk setiap pengaturan temperatur ruang ditunjukkan
oleh Gbr. 13.
Pada gambar tersebut ditunjukkan fluks panas radiasi pada bayi
untuk setiap model inkubator dalam temperatur ruang 32oC. Pada
inkubator dinding tunggal, adanya overhead screen dapat menurunkan
kehilangan panas radiasi sekitar 0,9 W/m2. Sedangkan pada inkubator
dinding ganda, penambahan overhead screen justru meningkatkan fluks
kehilangan panas radiasi pada tubuh bayi yang cukup signifikan sebesar
1,89 W/m2.
Gbr. 13. Kontur fluks panas radiasi bayi (W/m2) pada pada
pengaturan temperatur 32oC di dalam inkubator (a) dinding tunggal,
(b) dinding tunggal dengan overhead screen, (c) dinding ganda, (d)
dinding ganda dengan overhead screen.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 38/48
35
Perbandingan fluks panas radiasi tubuh bayi pada masing-masing
model inkubator untuk setiap pengaturan temperatur ruang dapat dilihat
pada gambar berikut.
Gbr.14. Kehilangan panas tubuh bayi secara radiasi (W) di
dalam empat model inkubator pada masing-masing temperatur ruang
inkubator.
Untuk inkubator yang sama, Gbr. 14. menunjukkan besarnya
kehilangan panas tubuh bayi secara radiasi pada pengaturan temperatur
32oC, 33oC, dan 35oC. Pada inkubator dinding tunggal, kehilangan
panas radiasi meningkat cukup signifikan (0,4W) pada temperatur
ruang 33oC dan kembali turun sebesar 0,1W pada temperatur 35oC.
Pada inkubator dinding tunggal dan inkubator ganda yang dilengkapi
overhead screen memiliki kecenderungan yang sama yaitu
peningkatan kehilangan panas secara radiasi dengan semakin tingginya
temperatur ruang. Secara keseluruhan, kehilangan panas secara radiasi
di dalam inkubator dinding ganda relatif lebih rendah dibandingkan tiga
model inkubator lainnya.
4.1.5 Kehilangan Panas Konveksi dan Evaporasi
Hasil simulasi fluks panas secara konveksi telah didapatkan
berdasarkan kontur koefisien perpindahan panas dinding. Sebagaimana
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 39/48
36
dijelaskan pada tinjauan pustaka, fluks panas konveksi ini sangat
ditentukan oleh posisi bayi (tertekuk atau 9 lurus), luas permukaan
tubuh, berat badan, temperatur dan aliran udara pada inkubator. Pada
kasus ini besarnya kecepatan aliran udara dan perbedaan temperatur di
sekitar tubuh bayi cukup berpengaruh besar pada kehilangan panas
konveksi. Gambaran fluks panas konveksi tubuh bayi yang
direpresentasikan oleh kontur koefisien perpindahan panas permukaan
tubuh bayi ditunjukkan pada gambar-gambar berikut.
Gbr. 15. Kontur koefisien konveksi tubuh bayi (W/m2K) pada
pengaturan temperatur 32oC di dalam inkubator (a) dinding tunggal,
(b) dinding tunggal dengan overhead screen, (c) dinding ganda, (d)
dinding ganda dengan overhead screen.
Pada kontur koefisien konveksi tubuh bayi untuk tiga variasi
pengaturan temperatur ruang, didapatkan profil koefisien konveksi
yang tidak banyak berbeda. Nilai rata-rata koefisien konveksi pada
permukaan tubuh bayi juga tidak berbeda signifikan. Grafik
kecenderungan besarnya kehilangan panas konveksi pada masing-
masing model inkubator untuk setiap temperatur ruang dapat dilihat
pada Gbr. 16 berikut.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 40/48
37
Gbr. 16. Kehilangan panas tubuh bayi secara konveksi (W) di dalam
empat model inkubator pada masing-masing temperatur ruang
inkubator.
Dibandingkan dengan kehilangan panas secara radiasi, maka
besarnya kehilangan panas secara konveksi relatif jauh lebih kecil. Pada
inkubator dinding tunggal, kehilangan panas secara konveksi
cenderung menurun dengan meningkatnya temperatur ruang.
Sedangkan pada tiga model inkubator lainnya memiliki kecenderungan
kehilangan panas konveksi yang meningkat namun tidak signifikan.
Pada inkubator dinding ganda baik yang menggunakan overhead
screen maupun tidak memiliki fluks kehilangan panas yang sangat
rendah yaitu 0,18 – 0,22 Watt. Sedangkan pada kedua model inkubator
berdinding tunggal memiliki fluks kehilangan panas yang lebih tinggi
yaitu pada rentang 0,21 – 0,68 Watt.
4.2 Pembahasan
Berdasarkan kriteria distribusi temperatur yang paling baik, inkubator
dinding tunggal tanpa overhead screen memiliki distribusi temperatur yang
baik pada tiga temperatur ruang yang diteliti yaitu 32oC, 33oC, dan 34oC.
Temperatur udara rata-rata ruang inkubator dinding tunggal relatif lebih
mendekati dengan nilai pengaturan temperatur ruang inkubator dibandingkan
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 41/48
38
dengan temperatur udara rata-rata pada model inkubator yang lain. Bahkan
pada inkubator dinding ganda dengan overhead screen, temperatur udara
ruang dapat mencapai 1oC lebih rendah dari temperatur yang diharapkan
sehingga menyebabkan kehilangan panas berlebih baik secara konveksi,
radiasi, konduksi, maupun evaporasi. Distribusi temperatur yang lebih baik
pada inkubator dinding tunggal disebabkan karena semua aliran udara dapat
dibalikkan menuju bagian bawah (tubuh bayi) setelah mencapai dinding
teratas inkubator. Oleh karena udara yang lebih panas selalu ada di lapisan
permukaan yang lebih tinggi, maka udara panas yang dikeluarkan oleh
masukan udara panas inkubator juga dapat didistribusikan kembali ke
permukaan yang lebih rendah oleh aliran udara balik. Berbeda dengan model
inkubator yang lain, adanya bebedapa lapisan batas (sekat) pada inkubator
menyebabkan aliran udara yang paling panas tertahan di celah dinding dalam
atau screen dengan dinding terluar karena udara panas ini selalu ada di bagian
paling atas. Dengan demikian aliran udara yang kembali ke bagian bawah
permukaan menjadi tidak lebih panas dari yang diharapkan, dalam hal ini
ditunjukkan penurunan temperatur udara. Kehilangan panas akibat radiasi
tergantung pada beberapa faktor, termasuk temperatur kulit, permukaan
relatif dan geometri bagian tubuh terkena radiasi, jarak dan sudut ke objek
iradiasi, emisivitas kulit bayi, dan emisivitas objek iradiasi. Pada simulasi
kehilangan panas radiasi untuk inkubator dinding tunggal dan inkubator
dinding tunggal dengan overhead screen terjadi penurunan sama seperti hasil
penelitian Ginalski dkk (2007). Objek iradiasi terdiri dari dinding terluar
inkubator dan screen dimana selisih temperatur antara dinding terluar dengan
tubuh bayi lebih tinggi dari pada selisih temperatur screen dengan tubuh bayi
sehingga panas radiasi yang dipancarkan oleh bayi juga lebih tinggi untuk
inkubator tanpa overhead screen. Pada inkubator dinding ganda, hampir
setiap sisi tubuh bayi dilingkupi oleh dinding dalam atau screen tambahan
yang menyebabkan total permukaan teradiasi oleh dinding luar inkubator
banyak berkurang. Hal inilah yang menjadi alasan signifikan turunnya
kehilangan panas secara radiasi pada inkubator dinding ganda. Ketika
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 42/48
39
overhead screen ditambahkan pada dinding dalam inkubator dinding ganda,
kehilangan panas secara radiasi kembali meningkat untuk temperatur ruang
32oC dan 33oC. Kondisi ini disebabkan oleh temperatur screen yang menjadi
lebih rendah dari temperatur bayi karena panas tertimbun pada celah antara
dinding dalam dan dinding luar inkubator seperti pada penjelesan
sebelumnya. Jadi, penambahan overhead screen pada inkubator dinding
ganda menjadi tidak efektif. Kehilangan panas secara konveksi pada tubuh
bayi tidak banyak mengalami perbedaan pada keempat model inkubator bayi
yang diteliti. Hal ini disebabkan profil aliran udara yang hampir sama serta
selisih temperatur tubuh dan udara di permukaan tubuh bayi yang tidak
berbeda secara signifikan. Kehilangan panas secara evaporasi diasumsikan
sama karena besarnya kehilangan panas evaporasi hanya disebabkan oleh
massa dan umur pasca kelahiran bayi namun juga dipengaruhi oleh kecepatan
udara dekat kulit bayi.
Gbr. 17. Kehilangan panas tubuh bayi secara konveksi dan radiasi (W) di
dalam empat model inkubator pada masing-masing temperatur ruang
inkubator.
Pada Gbr. 17 ditunjukkan tren kehilangan panas kering (dalam
penelitian ini hanya konveksi dan radiasi) di dalam inkubator bayi pada
temperatur ruang 32oC, 33oC, dan 34oC. Tren kehilangan panas ini digunakan
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 43/48
40
sebagai data simulasi yang akan diverifikasi dengan hasil penelitian secara
eksperimental agar hasil modifikasi terhadap inkubator dinding tunggal ini
dapat merepresentasikan kondisi fisis secar riil apabila modifikasi inkubator
benar-benar dibuat. Verifikasi hasil simulasi modifikasi inkubator dan adanya
bayi sebagai sumber panas di dalam inkubator telah dilakukan dengan
membandingkan penelitian secara eksperimental oleh Hey dan Katz tahun
1970 serta penelitian Elabbasi dkk. pada tahun 2004. Kedua penelitian
tersebut menggunakan inkubator dengan dinding tunggal.
Gbr. 18. Fluks kehilangan panas radiasi dan konveksi pada penelitian
secara eksperimen dengan manikin bayi dan bayi berat lahir [9, 20]
Hasil penelitian secara eksperimental pada Gbr. 18 menunjukkan
bahwa kehilangan panas secara konveksi dan radiasi pada temperatur 32oC,
33oC, dan 35oC memiliki kecenderungan meningkat pada temperatur 33oC
kemudian menurun signifikan pada temperatur 35oC. Kecenderungan ini juga
ditunjukkan pada hasil simulasi pada inkubator dinding tunggal baik dengan
ataupun tanpa overhead screen. Sedangkan pada inkubator dinding ganda
kecenderungan kehilangan panas konveksi dan radiasi terus turun pada
temperatur 33oC dan 35oC. Ketidakseimbangan antara produksi panas dan
kehilangan panas pada tubuh bayi ditunjukkan pada Gbr. 19 berikut.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 44/48
41
Gbr. 19 . Ketidakseimbangan produksi dan kehilangan panas tubuh bayi
(W) di dalam empat model inkubator pada masing-masing temperatur ruang
inkubator.
Pada gambar di atas, ketidakseimbangan panas terbesar dialami oleh
bayi yang dirawat pada inkubator bayi dinding tunggal. Margin
ketidakseimbangan panas di dalam inkubator dinding tunggal cukup besar
dibandingkan model inkubator lainnya pada temperatur ruang 32oC dan 33oC.
Sedangkan pada temperatur ruang inkubator 35oC, ketidakseimbangan panas
tidak berbeda secara signifikan pada masing-masing model inkubator. Dari
keseluruhan inkubator yang dianalisis, inkubator dinding ganda memiliki
ketidak seimbangan panas paling rendah diantara model inkubator lainnya.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 45/48
42
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil analisis dan pembahasan perpindahan panas dan
massa pada bayi di dalam empat model inkubator, maka dapat ditarik
kesimpulan antara lain.
1. Penambahan dinding dalam pada inkubator dinding tunggal dapat
menyebabkan penurunan temperatur rata-rata ruang inkubator yang
tidak signifikan yaitu sebesar 0,2 – 0,3oC. Penambahan dinding dalam
pada inkubator dinding tunggal menyebabkan kehilangan panas pada
tubuh bayi berkurang sangat signifikan sebesar 8 – 10 Watt.
2. Penambahan overhead screen pada inkubator dinding tunggal
menyebabkan penurunan temperatur rata-rata ruang sekitar 0,3 – 0,5oC
dan menyebabkan kehilangan panas total semakin berkurang 5 – 9
Watt. Pada inkubator ganda, penambahan overhead screen dapatmenurunkan temperatur rata-rata ruang secara signifikan hingga 1,07oC
serta kehilangan panas total pada tubuh bayi mengalami peningkatan 2
- 5 Watt.
5.2 Saran
Ketelitian hasil simulasi adalah 0,001 ms-1 dan ketelitian alat ukur
adalah 0,01 ms-1, maka nilai kesalahan menjadi cukup besar. Untuk
mengurangi nilai kesalahan dan hasil yang lebih akurat sebaiknya digunakan
alat yang beresolusi lebih tinggi.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 46/48
43
DAFTAR PUSTAKA
[1] Pustika Efar. 2008. Metode Kangguru: “Inkubator” Alami Untuk Bayi
Prematur, dikutip dari http://tanyadokteranda.com/artikel/metode-kangguru-
inkubator-alami-untuk-bayi-pre-matur.html (diakses pada tanggal 10 Agustus
2010).
[2] Indrasanto, E., N. Dharmasetiawati, R. Rohsiswanto, R. K. Kaban. 2010.
Termoregulasi Neonatus, Ikatan Dokter Anak Indonesia (IDAI) dikutip dari
http://www.hsp-prs.org/Jakarta/2010/J3214/ (diakses pada tanggal 28 Agustus
2010).
[3] McCall EM, Alderdice FA, Halliday HL, Jenkins JG, Vohra S. 2006.
“Interventions to prevent hypothermia at birth in preterm and/or low birth weight
babies,” Evidence-Based Child Health 1: 287 – 324. DOI: 10.1002/ebch.5.
[4] Sauer, Dane, and Viser .1984. “New standards for neutral termal environment
of healthy very low birth weight infants in week one of life,” Archives of Disease
in Childhood. Vol: 59, pp.18 – 22. DOI:10.1136/adc.59.1.18.
[5] Johnston, C. C., B. Steven, J. Pinelli, S. Gibbins, F. Filion, A. Jack, S. Steele,
K. Boyer, A. Veilleux. 2003. “Kangaroo Care Is Effective in Diminishing Pain
Response in Preterm Neonates,” Archpediatrics Adolesc Med. Vol. 157 pp. 1084
– 1088
[6] Johnston, C. C., B. Steven, J. Pinelli, S. Gibbins, F. Filion, A. Jack, S. Steele,
K. Boyer, A. Veilleux. 2003. “Kangaroo Care Is Effective in Diminishing Pain
Response in Preterm Neonates,” Archpediatrics Adolesc Med. Vol. 157 pp. 1084
– 1088
[7] Yudiyana, I Nyoman. 2008. Analisis Distribusi Temperatur Pada Matras “Baby
Incubator”. Tugas Akhir. Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember,
Surabaya.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 47/48
44
[8] Setiawan, Tri Dedi. 2008. Perancangan Sistem Pengendali Kelembaban dan
Monitoring Temperatur pada Inkubator Bayi Berbasis PC. Tugas Akhir Jurusan
Teknik Fisika, ITS, Surabaya
[9] Hey, E. N. & Katz, G. 1970. “The optimum termal environment for naked
babies,” Archives of Disease in Childhood. Vol. 45, pp. 328 – 334.
[10] Kobayashi, Shinichi, E. Koike and Kazuo Matubara. 1998. Infant Incubator.
United States Patent, No. 5,797,833
[11] Koch, Joachim and Wolfgang Franz. 1998. Incubator for Tomographic
Examinations. United States Patent, No. 5,800,335
[12] Chessex, P., S. Blouet and J. Vaucher. August 1998. Environmental
temperature control in very low birth weight infants (less than 1000 grams) cared
for in double-walled incubators. The Journal of Pediatrics, Vol. 113, Issue 2, pp.
373-380
[13] Laroia N, Phelps D. L, Roy J. 2007. Double wall versus single wall incubatorfor reducing heat loss in very low birth weight infants in incubators. Cochrane
Database Syst Rev. Apr 18;(2):CD004215.
[14] Yeh, T. F., S. Voora, L. D. Lilien, J. Matwynshyn, G. Srinivasan, R.S. Pildes,
1980. Oxygen consumption and insensible water loss in premature infants in
single- versus double-walled incubators. The Journal of Pediatrics, Vol.97, Issue
6. Pp. 967-971
[15] Ginalski, Maciej K., A. J. Nowak, L. C. Wrobel. 2007. A combined study of
heat and mass transfer in an infant incubator with an overhead screen. Medical
Engineering & Physics, Vol. 29, pp. 531 – 541
[16] Samosir, Asinanila D. (2009). Pengetahuan Mahasiswa D-III Keperawatan
Tentang Perawatan BBLR Di Dalam Inkubator Di Ruang Rawat Perinatologi RSUP
HAM Medan. Skripsi. Universitas Sumatera Utara.
8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ
http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 48/48
[17] Dollberg, Shaul & Hoath, Steven B. 2001. “Temperature Regulation in
Preterm Infants: Role of The Skin-Environment Interface,” NeoReviews 2:282.
DOI: 10.1542/neo.2-12-e282.
[18] Sugini. 2004. Pemaknaan Istilah-istilah Kualitas Kenyaman-an Termal Ruang
Dalam Kaitan Dengan Variabel Iklim Ruang, Universitas Islam Indonesia,
LOGIKA. Vol. 1 No. 2
[19] Blazek, J. 2001. Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications.
Elsevier Science Ltd: United Kingdom.
[20] Elabbassi, Elmountacer B. and Belghazi, Khalid. 2004. Dry heat loss in
incubator: comparison of two premature newborn sized manikins. Europe Journal
of Applied Physiology 92: 679 – 682 DOI 10.1007/s00421-004-1130-5