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