simulasi dispersi gas polutan so2, h2s, dan co … · konsentrasi gas polutan berupa bidang 2...

SIMULASI DISPERSI GAS POLUTAN SO2, H2S, DAN CO DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

(CFD)

Oleh :

AGUS GHAUTSUN NI’AM

F 14104013

2009

DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR



(CFD)

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian,

Fakultas Teknologi Pertanian,

Institut Pertanian Bogor

Oleh :


F 14104013

2009



BOGOR





(CFD)

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian,

Fakultas Teknologi Pertanian,

Institut Pertanian Bogor

Oleh :


F14104013

Dilahirkan pada tanggal 11 Juni 1985 di Kuningan

Tanggal lulus:……………..

Menyetujui,

Bogor, Januari 2009

Prof.Dr.Ir. Kudang B Seminar,M.Sc Dr. Ir. Arief Sabdo Yuwono, MSc Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II

Mengetahui,

Dr. Ir. Desrial, M.Eng Ketua Departemen Teknik Pertanian

Agus Ghautsun Ni’am. F14104013. Simulasi Dispersi Gas Polutan SO2, H2S, dan CO dengan Menggunakan Program Computational Fluid Dynamics (CFD). Di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Semina, M.Sc. dan Dr. Ir. Arief Sabdo Yuwono, M.Sc.

RINGKASAN Studi simulasi dispersi gas polutan dari sebuah cerobong merupakan upaya

pengembangan sektor industri yang ramah lingkungan. Prediksi sebaran emisi gas polutan terhadap udara ambien dilakukan untuk mengantisipasi dampak negatif yang ditimbulkan dari suatu kegiatan industri. Studi simulasi dispersi gas polutan dilakukan dengan menggunakan program Computational Fluid Dynamics (CFD).

Studi simulasi ini dilakukan untuk melihat simulasi dispersi dan sebaran konsentrasi gas polutan (SO2, H2S, dan CO) dari cerobong ke lingkungan dengan menggunakan program CFD yang akan dibandingkan dengan model Gaussian. Model simulasi yang digunakan untuk menentukan nilai konsentrasi gas polutan di suatu titik tertentu adalah model persamaan dispersi Gaussian dengan menggunakan program visual basic dan model Navier-Stokes yang direpresentasikan oleh software Solidworks Office 2007 dengan menggunakan metode finite volume. Parameter input simulasi yaitu laju emisi gas yang diemisikan dari cerobong, kecepatan udara di sekitar sumber emisi atau ambien, faktor stabilitas atmosfer hingga titik acuan, dan sifat karakteristik kimia gas polutan. Sedangkan parameter output yang diharapkan adalah visualisasi sebaran konsentrasi gas polutan berupa bidang 2 dimensi yang dilengkapi dengan nilai persamaan konsentrasinya terhadap jarak dari sumber emisi.

Program CFD digunakan sebagai support simulator atau tools untuk mendapatkan visualisasi sebaran gas terdispersi dari hasil perhitungan. Sotfware yang digunakan adalah sotfware Solidworks Office 2007 yang memiliki kemampuan untuk membuat model geometri, batasan lingkungan simulasi atau domain, meshing model geometri yang akan disimulasikan, solver atau pencarían solusi dengan menyediakan fleksibilitas mesh automatis berbentuk tetahedral yang dapat diatur mudah kerapatan meshnya. Software ini menghitung persamaan fluida dinamik dengan menggunakan metode finite volume, sehingga dapat mempresentasikan data dan memvisualisasikan berbagai kasus aplikasi dinamika fluida secara detail.

Representasi hasil visualisasi simulasi dengan program CFD memberikan gambaran bahwa gas polutan yang paling besar memberikan dampak pencemaran terhadap permukaan tanah di lingkungan sekitar adalah gas SO2, dimana nilai konsentrasi yang paling tinggi terdapat pada jarak 60 m dari ceobong, yaitu sebesar 10721,6 ppm. Sedangkan gas CO mencemari permukaan tanah pada jarak di atas 300 m dari cerobong dan gas H2S dari hasil simulasi tidak mencemari permukaan tanah karena bergerak ke atmosfer.

Adapun perbandingan hasil simulasi dispersi gas polutan dengan menggunakan model Gaussian sangat berbeda jauh dengan hasil dari model EFD yang menggunakan basis persamaan Navier-Stokes. Dalam model Gaussian tidak ada parameter sifat kimia atau karakteristik bahan material fluida yang mempengaruhi proses dispersi, bahkan diabaikan. Sedangkan simulasi dispersi dengan model EFD sangat dipengaruhi oleh faktor internal dari material fluida yaitu karakteristik kimiawinya.

ii

RIWAYAT HIDUP

Penulis merupakan putra Sunda yang dilahirkan di Kuningan Jawa Barat

pada tanggal 11 Juni 1985. Anak kedelapan dari Sembilan bersaudara, buah kasih

sayang pasangan ibu Juhro dan bapak Hasbullah (alm). Menamatkan pendidikan

dasar pada tahun 1998 di Madrasah Ibtidaiyah (MI) Mandirancan, kemudian pada

tahun 2001 penulis berhasil menyelesaikan studinya di Madrasah Tsanawiyah

(MTs) Mandirancan. Setelah lulus dari MTs Mandirancan, penulis diterima di

SMU Plus Yayasan Darmaloka Propinsi Jabar sebagai delegasi dari Kabupaten

Kuningan untuk dibina, diasramakan dan dibiaya selama studi di SMU Negeri 1

Cisarua Bandung. Tahun 2004 penulis lulus dari SMU Negeri 1 Cisarua Bandung

dan diterima di IPB melalui jalur USMI di Departemen Teknik Pertanian,

Fakultas Teknologi Pertanian.

Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai asisten kuliah

Matematika Teknik dan asisten Praktikum Terpadu Mekanika dan Bahan Teknik.

Selain itu, selama 3 tahun masa perkuliahan penulis mendapatkan beasiswa dan

pembinaan dari Beastudi Etos yayasan Dompet Dhuafa Republika serta aktif di

Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (HIMATETA) dan Organisasi

Mahasiswa Daerah (OMDA) pada Himpunan Mahasiswa Aria Kamuning

(HIMARIKA) Kabupaten Kuningan.

Penulis pernah melakukan praktek lapangan di PT. Sido Muncul dengan

objek pengamatan pada Pengolahan Air Bersih (Water Traetment) dan

Pengolahan Limbah Cair (Wastewater Treatment) selama 2 bulan pada tahun

2007.

iii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, syukur dan pujian penulis panjatkan kehadirat Allah SWT

yang Maha Menggenggam segala ke-Agungan. Dengan Rahmat, Hidayah serta

Kasih Sayang-Nya skripsi penelitian ini dapat tersusun. Harapan besar penulis

semoga skripsi yang berjudul Simulasi Dispersi Gas Polutan SO2, H2S, dan CO

dengan Menggunakan Program Computational Fluid Dynamics (CFD) ini dapat

bermanfaat dalam menambah hasanah keilmuan bagi penulis maupun para

akademisi lainnya. Dengan segenap kerendahan hati, penulis ingin mengucapkan

terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, M.Sc selaku pembimbing tercinta

yang tak henti-hentinya membimbing dan mengarahkan penulis.

2. Dr. Ir. Arief Sabdo Yuwono, M.Sc selaku pembimbing skripsi II yang

telah memberikan kontribusi, inspirasi serta ilmunya terhadap penulis.

3. Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara, Pak Dodi beserta segenap karyawan

CCIT, yang telah memberikan saran, ilmu dan memfasilitasi penulis

dalam melakukan penelitian.

4. Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, MS selaku dosen penguji skripsi.

5. Ummi, Teteh dan segenap keluarga penulis, terima kasih atas doa dan

dukungannya yang tiada henti kepada penulis.

6. Ibu Hanni dan bapak Fadhil (LAGG PUSPIPTEK), ibu Dyah, atas ilmu

dan kesempatan diskusinya dalam mendukung kegiatan penelitian.

7. Teman-teman seperjuangan : Harritz Rizaldi, Adhi N, Aris Setyawan,

Ferdian, M Ali Maksum, Gunawan, Yudik, Eko, Arip Sonjaya, terima

kasih atas bantuannya serta kepada segenap teman-teman TEP 41

sebagai tempat berbagi dan saling mengingatkan.

8. Lembaga CCIT yang telah memberikan kesempatan penulis

menggunakan fasilitas software resmi EFD untuk penelitian

Penulis sadar betul kesempurnaan skripsi ini masih jauh. Untuk itu, kritik

dan saran yang bersifat membangun sangatlah diperlukan demi menunjang

kesempurnaan skripsi ini.

Bogor, Desember 2008

Penulis

iv

DAFTAR ISI

Halaman

RINGKASAN ........................................................................................................... i

RIWAYAT HIDUP................................................................................................. ii

KATA PENGANTAR ........................................................................................... iii

DAFTAR ISI ........................................................................................................... iv

DAFTAR TABEL ................................................................................................. vii

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... viii

DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... xii

BAB I. PENDAHULUAN ....................................................................................... 1

A. Latar Belakang ....................................................................................... 1

B. Tujuan .................................................................................................... 2

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA............................................................................. 3

A. Pencemaran Udara ................................................................................. 3

1. Definisi Pencemaran Udara .............................................................. 3

2. Sumber Pencemaran Udara .............................................................. 4

B. Jenis Pencemaran Udara ....................................................................... 5

1. Karbon Monoksida (CO) .................................................................. 6

2. Sulfur Dioksida (SO2) ...................................................................... 6

3. Hidrogen Sulfida (H2S) .................................................................... 7

4. Oksida Nitrogen (NOx) ..................................................................... 8

5. Partikel Tersuspensi (TSP) ............................................................... 9

6. Ozon (O3) ....................................................................................... 10

C. Mekanika Fluida .................................................................................. 11

1. Dasar Mekanika Fluida .................................................................. 11

2. Aliran di Sekitar Permukaan Silinder ............................................. 13

3. Ketebalan boundary layer pada permukaan ground dan tegangan

geser pada boundary layer ............................................................. 17

4. Fenomena Pemisahan Aliran .......................................................... 18

D. Dispersi Udara ..................................................................................... 20

1. Model Dispersi ............................................................................... 21

a. Model Gaussian ......................................................................... 21

v

b. Model Eulerian .......................................................................... 24

c. Model Lagrangian ...................................................................... 25

2. Stabilitas Atmosfer ......................................................................... 26

3. Kecepatan Angin ............................................................................ 27

E. Dasar-dasar Simulasi ........................................................................... 29

F. Pemodelan Matematik ......................................................................... 30

G. Metode Komputasi Dinamika Fluida .................................................. 30

1. Prapemrosesan (Pre-Processing) ................................................... 31

2. Pencarian Solusi (Solving) .............................................................. 32

3. Pasca Pemrosesan (Post-processing) ............................................. 33

H. Penelitian Terdahulu yang Terkait ...................................................... 33

BAB III. METODOLOGI ...................................................................................... 34

A. Pendekatan Permasalahan ................................................................... 34

1. Kekekalan Massa 3 Dimensi .......................................................... 35

2. Persamaan Momentum 3 Dimensi ................................................. 36

3. Persamaan Energi 3 Dimensi ......................................................... 36

4. Persamaan Spesies Transport Material Fluida ............................... 36

B. Bahan dan Alat .................................................................................... 37

C. Parameter Input ................................................................................... 38

D. Data Input ............................................................................................ 39

E. Tahapan Kegiatan Penelitian ............................................................... 43

F. Asumsi dalam Simulasi CFD .............................................................. 45

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................. 46

A. Kecepatan Angin (wind speed) ........................................................... 47

B. Model Gaussian ................................................................................... 48

C. Model EFD .......................................................................................... 53

1. Kondisi Awal Udara Ambien ......................................................... 53

2. Pendefinisian Domain .................................................................... 54

3. Tahap Penentuan Kondisi Batas ..................................................... 55

4. Analisis Aliran ................................................................................ 56

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN................................................................ 80

A. Kesimpulan ......................................................................................... 80

vi

B. Saran ................................................................................................... 81

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................ 82

LAMPIRAN ................................................................................................... 85

vii

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Standard kualitas udara ambien ............................................................... 4

Tabel 2. Baku tingkat kebauan udara ambien ........................................................ 4

Tabel 3. Stabilitas atmosfer Turner berdasarkan kecepatan angin, radiasi

matahari dan penutupan awan ............................................................... 26

Tabel 4. Nilai konstanta a, c, d, dan f untuk menghitung σy dan σz sebagai fungsi

dari jarak ................................................................................................ 27

Tabel 5. Aturan nilai eksponen n untuk pedesaan dan kota ................................. 28

Tabel 6. Data input fiktif ...................................................................................... 39

Tabel 7. Input aliran gas polutan (mass flow rate) dari cerobong........................ 40

Tabel 8. Nilai spesifik sifat kimia masing-masing senyawa fluida...................... 40

Tabel 9. Nilai densitas dan koefisien difusivitas massa masing-masing spesies 41

Tabel 10. Nilai viskositas kinematik dan difusivitas panas udara dan gas polutan63

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Ilustrasi aliran di sekitar silinder .......................................................... 14

Gambar 2. Ilustrasi faktor tekanan dan tegangan geser pada permukaan silinder

tampak atas ............................................................................................ 15

Gambar 3. Aliran pada boundary layer ................................................................. 17

Gambar 4. Skema terbentuknya lapisan geser (shear layer) yang selanjutnya akan

membentuk vortex ................................................................................. 19

Gambar 5. Ilustrasi aliran vortex di atas permukaan solid pada silinder bagian

bawah ................................................................................................... 19

Gambar 6. Model dispersi Gaussian ...................................................................... 21

Gambar 7. Ilustrasi pengambilan data temperatur aliran fluida pada lagrangian dan

eulerian .................................................................................................. 25

Gambar 8. Bentuk geometri cerobong dan area permukaan tanah ........................ 41

Gambar 9. Dimensi geometri tampak atas dalam satuan meter ............................. 42

Gambar 10. Diagram alir pembuatan program ...................................................... 43

Gambar 11. Diagram alir prosedur simulasi pada EFD ......................................... 44

Gambar 12. Koreksi kecepatan angin terhadap ketinggian elevasi ....................... 47

Gambar 13. Form penghitungan sebaran konsentrasi setiap titik (x, y, z) ............. 49

Gambar 14. Grafik sebaran konsentrasi gas polutan sepanjang centerline a). SO2,

b). H2S, dan c). CO, pada bidang permukaan tanah ............................. 51

Gambar 15. Profil sebaran gas polutan sepanjang crosswind pada jarak x 10 m,

a).SO2, b).H2S, dan c).CO ..................................................................... 52

Gambar 16. Ilustrasi grid hasil meshing domain dari geometri cerobong ............. 54

Gambar 17. Ilustrasi pendefinisian kondisi batas .................................................. 55

Gambar 18. Kontur dan vektor aliran kecepatan udara dengan melewati silinder

cerobong tampak atas ............................................................................ 57

Gambar 19. Sebaran kecepatan udara dan tekanan dinamik aliran udara di sekitar

permukaan silinder ................................................................................ 58

Gambar 20. Sebaran tegangan geser dan koefisien gesek di sepanjang permukaan

silinder ................................................................................................... 59

Gambar 21. Grafik sebaran densitas disepanjang centerline ................................. 60

ix

Gambar 22. Grafik tekanan dan kecepatan udara hasil iterasi ............................... 61

Gambar 23. Kontur kecepatan tampak samping .................................................... 62

Gambar 24. Ilustrasi gerakan partikel terhadap satuan waktu kecepatan .............. 64

Gambar 25. Sebaran temperatur berbagai gas polutan .......................................... 66

Gambar 26. Sebaran konsentrasi SO2 pada berbagai bidang tampak samping ...... 68

Gambar 27. Sebaran konsentrasi SO2 dipermukaan tanah tampak atas ditunjukan

dengan kurva isoline dan kontur........................................................... 69

Gambar 28. Grafik konsentrasi SO2 disepanjang centerline .................................. 70

Gambar 29. Profil iterasi sebaran konsentrasi gas SO2 .......................................... 71

Gambar 30. Sebaran konsentrasi gas H2S di atmosfer pada berbagai jarak bidang

tampak samping dari centerface ............................................................ 72

Gambar 31. Sebaran konsentrasi gas H2S tampak atas pada berbagai jarak bidang

dari permukaan tanah ............................................................................ 73

Gambar 32. Ilustrasi garis plot data nilai sebaran gas konsentrasi H2S ................. 74

Gambar 33. Grafik sebaran gas H2S sepanjang centerline .................................... 75

Gambar 34. Profil iterasi sebaran konsentrasi gas H2S .......................................... 75

Gambar 35. Sebaran gas polutan CO pada berbagai jarak bidang ......................... 77

Gambar 36. Ilustrasi sebaran gas CO sepanjang garis centerline .......................... 78

Gambar 37. Profil iterasi gas CO ........................................................................... 79

x

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Gambar struktur cerobong .................................................................85

Lampiran 2. Hubungan antara tekanan gas polutan dan temperatur. .................... 86

Lampiran 3. Algoritma program VB untuk penghitungan dispersi gas polutan

dengan model Gaussian ..................................................................... 88

Lampiran 4. Data nilai sebaran konsentrasi gas polutan sepanjang sumbu x.……91

Lampiran 5. Data sebaran tegangan geser dan koefisien gesek pada permukaan

silinder. ……………………………………………………………92

Lampiran 6. Hasil iterasi kecepatan rata-rata dan tekanan udara dinamik. ........... 94

Lampiran 7. Sebaran konsentrasi gas SO2 sepanjang centerline. .......................... 97

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Industri merupakan salah satu sektor yang dominan mempengaruhi stabilitas

perekonomian suatu negara. Perkembangan di sektor industri, telah

mengakibatkan regulasi pemerintah dalam hal pemberdayaan sumber daya alam

(SDA) dan lingkungan semakin ketat. Hal ini dilakukan untuk mengarahkan para

pelaku industri agar berorientasi pada industri yang berteknologi ramah

lingkungan dan dapat meningkatkan efisiensi penggunaan SDA yang dikelolanya.

Untuk mewujudkan hal tersebut, maka dikenal istilah Produksi Bersih

(Cleaner Production) sebagai pola berpikir dan konsep global dalam perancangan

proses suatu industri secara keseluruhan. Produksi Bersih merupakan salah satu

pendekatan untuk merancang ulang industri yang bertujuan untuk mencari solusi

pengurangan produk-produk samping yang berbahaya, mengurangi polusi secara

keseluruhan, dan menciptakan produk yang aman terhadap resiko pada manusia

dan lingkungan. Strategi ini berfungsi untuk mengarahkan para pelaku industri

memiliki orientasi pada pengembangan industri yang berpola ekoefisiensi dengan

memanfaatkan SDA secara optimal dan mengurangi dampak resiko terhadap

lingkungan.

Salah satu masalah yang terjadi di lingkungan industri adalah penurunan

kualitas udara ambien yang diakibatkan oleh emisi gas polutan dari cerobong

(stack). Tingginya konsentrasi polutan di udara ambien akan berdampak terhadap

penerima khususnya manusia, hewan, tumbuhan dan material atau benda yang ada

di lingkungan sumber pencemar.

Udara mempunyai arti yang sangat penting di dalam kehidupan makhluk

hidup dan keberadaan benda-benda lainnya. Sehingga udara merupakan sumber

daya alam yang harus dijaga untuk kehidupan manusia dan makhluk hidup

lainnya. Hal ini berarti bahwa pemanfaatannya harus dilakukan secara bijaksana

dengan memperhitungkan kepentingan generasi sekarang dan yang akan datang.

Untuk mendapatkan udara sesuai dengan tingkat kualitas yang diinginkan maka

pengendalian pencemaran udara menjadi sangat penting untuk dilakukan.

2

Salah satu upaya agar pengembangan industri dapat sejalan dengan upaya

pengelolaan lingkungan adalah dengan studi simulasi dispersi gas polutan dari

sebuah cerobong. Studi simulasi tersebut dapat memprediksi sebaran emisi gas

polutan di udara ambien. Prediksi sebaran emisi gas polutan perlu dipelajari dalam

upaya pengelolaan lingkungan hidup untuk mengantisipasi dampak negatif yang

ditimbulkan dari suatu kegiatan industri. Analisis studi simulasi dispersi gas

polutan dapat dilakukan dengan menggunakan program Computational Fluid

Dynamics (CFD).

B. Tujuan Penelitian

Beberapa tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Melakukan simulasi dispersi gas polutan (SO2, H2S dan CO) dari

cerobong ke lingkungan dengan menggunakan program CFD.

2. Mempelajari perbedaan model dispersi gas polutan pada udara

ambien menggunakan model Gaussian dengan model CFD.

3. Menghitung konsentrasi gas polutan (SO2, H2S dan CO) di

permukaan tanah berdasarkan simulasi CFD.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

A. Pencemaran Udara

1. Definisi Pencemaran Udara

Menurut Peraturan Pemerintah Nomor 41 Tahun 1999 tentang

Pengendalian Pencemaran Udara, pencemaran udara adalah masuknya atau

dimasukkannya zat, energi, dan atau komponen lain ke dalam udara oleh

kegiatan manusia, sehingga mutu udara turun sampai ke tingkat tertentu

yang menyebabkan atau mempengaruhi kesehatan manusia. Sedangkan

pencemaran lingkungan hidup memiliki pengertian masuknya atau

dimasukkannya makhluk hidup, zat, energi, dan atau komponen lain ke

dalam lingkungan hidup oleh kegiatan manusia sehingga kualitasnya turun

sampai ke tingkat tertentu yang menyebabkan lingkungan hidup tidak dapat

berfungsi sebagaimana mestinya.

Menurut Soenarmo (1999), pencemaran merupakan hasil sampingan

dari industrialisasi penghasil barang, dapat berupa padat, cair maupun gas,

dan pencemaran udara adalah masuknya zat pencemar berupa partikel-

partikel halus (debu, partikel halus, gas beracun atau toksit) ke dalam udara

(atmosfer). Sedangkan menurut Supriyono (1999), pencemaran udara

diartikan terdapatnya bahan kontaminan dalam udara ambien yang

diakibatkan dari aktivitas manusia.

Sementara itu, udara ambien adalah udara bebas dipermukaan bumi

pada lapisan troposfer yang berada di dalam wilayah yurisdiksi Republik

Indonesia yang dibutuhkan dan mempengaruhi kesehatan manusia, makhluk

hidup dan unsur lingkungan hidup lainnya (PP No. 41 Tahun 1999).

Kualitas udara ambien dipengaruhi oleh kandungan atau kadar zat, energi

dan komponen lain yang terdapat di udara bebas (Syahputra, 2005).

Beberapa parameter kualitas udara yang dianalisis meliputi sulfur dioksida,

karbon monoksida, dan hidrogen sulfida. Standar kualitas udara ambien

menurut EPA (Environmental Protection Agency) milik Amerika Serikat

yang disebut sebagai NAAQS (National Ambient Air Quality and

Standards) disajikan pada Tabel 1.

4

Tabel 1. Standard kualitas udara ambien.

No. Parameter Satuan Nilai Batas Waktu rata-rata

1 Carbon Monoxide (CO)

ppm 9 8 jam

mg/m³ 10

ppm 35 1 jam

mg/m³ 40

2 Nitrogen Dioxide (NO2) ppm 0,053

per tahun µg/m³ 100

3 Sulfur Dioxide (SO2)

ppm 0,03 per tahun

ppm 0,14 24 jam

ppm 0,5 3 jam

4 Partikel PM10 µg/m³ 150 24 jam

5 Partikel PM2,5 µg/m³ 15 per tahun

µg/m³ 35 24 jam

6 Ozon (O3) ppm 0,075 8 jam

ppm 0,12 1 jam Sumber : The EPA Office of Air Quality Planning and Standards (OAQPS) 2008

Salah satu akibat dari tercemarnya lingkungan udara adalah timbulnya

bau dari sumber bau atau zat odoran yang dapat menimbulkan rangsangan

bau pada keadaan tertentu sehingga sangat mengganggu kesehatan manusia.

Pemerintah telah menetapkan regulasi mengenai tingkat atau kadar kebauan

di udara ambien untuk menciptakan lingkungan yang nyaman dan sehat

dengan KEPMEN Negara Lingkungan Hidup No 50 Tahun 1996 tentang

Baku Tingkat Kebauan yang terdapat pada Tabel 2.

Tabel 2. Baku tingkat kebauan udara ambien.

No. Parameter Satuan Nilai Batas

1 Amoniak (NH3) ppm 2 2 Metil Merkaptan (CH3SH) ppm 0,002 3 Hidrogen sulfida (H2S) ppm 0,02 4 Metil Sulfida ((CH3)2S) ppm 0,01 5 Stirena (C6H8CHCH2) ppm 0,1

Sumber : KEPMEN Negara LH No. 50 Tahun 1996

2. Sumber Pencemaran Udara

Sumber pencemaran udara dapat berasal dari kegiatan yang bersifat

alamiah, yang terjadi di alam seperti polusi akibat letusan gunung berapi,

kebakaran hutan dan sebagainya yang secara umum terjadi secara alamiah,

5

juga yang bersifat antropogenik atau akibat dari kegiatan manusia, seperti

aktivitas transportasi, industri dan domestik atau rumah tangga (Soedomo,

2001).

Berdasarkan pola atau model pancaran emisinya sumber pencemar

dibagi menjadi (Tjasjono, 1999 dalam Soenarmo, 1999) :

a. Sumber titik (point source), dihasilkan oleh pabrik-pabrik atau

industri yang mengeluarkan zat pencemar (polutan) ke udara

melalui cerobong-cerobong pembuangan.

b. Sumber garis (line source), sumber pencemar ini mengeluarkan

pancaran zat pencemar berupa garis yang memanjang, seperti

jalan raya akibat aktivitas transportasi.

c. Sumber area (area source), merupakan sumber pancaran zat

pencemar berupa area atau bidang di suatu wilayah, seperti

kawasan industri atau areal kebakaran hutan.

Sumber pencemar dapat pula dikelompokan ke dalam sumber tidak

bergerak atau diam (stationary source), seperti industri dan sumber bergerak

(mobile source), seperti kendaraan bermotor (Septiyanzar, 2008).

B. Jenis Pencemar Udara

Secara umum jenis pencemar dapat dikelompokkan menjadi pencemar

primer dan pencemar sekunder. Pencemar primer adalah substansi pencemar yang

ditimbulkan langsung dari sumber pencemaran udara. Karbon monoksida (CO)

merupakan contoh dari pencemar udara primer karena merupakan hasil langsung

dari pembakaran. Pencemar sekunder adalah substansi pencemar yang terbentuk

dari reaksi pencemar-pencemar primer di atmosfer (Septiyanzar, 2008).

Berdasarkan ciri fisiknya pencemaran udara dibagi menjadi tiga jenis, yaitu

(Geiger, 2000 dalam Septiyanzar, 2008) :

a. Partikulat, yaitu campuran berbagai senyawa organik dan anorganik yang

tersebar di udara dengan diameter 1- 500 mikron.

b. Gas, meliputi semua jenis pencemar udara yang berbentuk gas dan

berukuran molekular seperti CO, SO2, dan H2S.

c. Energi, yaitu seperti temperatur dan kebisingan (noise).

6

Karakteristik beberapa gas polutan yang tersebar di atmosfer adalah

sebagai berikut :

1. Karbon Monoksida (CO)

Menurut Syahputra (2005), karbon monoksida (CO) timbul karena

adanya proses pembakaran yang tidak sempurna. Sedangkan menurut

Godish (2004), senyawa CO mempunyai potensi bersifat racun yang

berbahaya karena mampu membentuk ikatan yang kuat dengan pigmen

darah yaitu hemoglobin Senyawa CO memiliki daya distribusi yang luas

dan merupakan jenis senyawa polutan yang jumlah emisinya terbesar

diantara nilai emisi jenis senyawa polutan lainnya. Karbon dan oksigen

dapat bergabung membentuk senyawa CO sebagai hasil pembakaran yang

tidak sempurna, seperti tergambar dalam reaksi berikut (Sax, 1974 dalam

Septiyanzar, 2008).

2C + O2 2CO

Konsentrasi gas CO sampai dengan 100 ppm masih dianggap aman

jika waktu kontak hanya sebentar. Gas CO sebanyak 30 ppm apabila dihisap

oleh manusia selama 8 jam akan menimbulkan rasa pusing dan mual.

Konsentrasi CO sebanyak 1000 ppm dan waktu paparan (kontak) selama 1

jam menyebabkan pusing dan kulit berubah menjadi kemerahan. Untuk

paparan yang sama dengan konsentrasi CO 1300 ppm, kulit akan langsung

berubah menjadi merah tua dan disertasi rasa pusing yang hebat. Untuk

keadaan yang lebih tinggi, akibatnya akan lebih fatal, yaitu kematian

(Syahputra, 2005).

2. Sulfur Dioksida (SO2)

Gas sulfur dioksida (SO2) merupakan gas yang berasal dari bahan

bakar fosil, terutama batubara. SO2 merupakan komponen gas yang tidak

berwarna dengan karakteristik bau yang tajam dan tidak terbakar di udara

(BAPEDAL, 2005).

Menurut Syahputra (2005), sulfur dioksida merupakan hasil emisi

transportasi dan industri pada awalnya akan bertransformasi dengan atom

tunggal oksigen akan membentuk formasi sulfur trioksida, dan formasi dari

7

sulfur trioksida (SO3) ketika bereaksi dengan uap air (H2O) di atmosfer akan

menyebabkan terjadinya hujan asam, seperti tergambar dalam reaksi

kimiawi berikut :

SO2 + O SO3

SO3 + H2O H2SO4

Udara yang tercemar SOX menyebabkan manusia akan mengalami

gangguan pada sistem pernapasan. Hal ini karena gas SOX yang mudah

menjadi asam tersebut menyerang selaput lendir pada hidung, tenggorokan

dan saluran napas lain sampai ke paru-paru. Serangan tersebut juga dapat

menyebabkan iritasi pada bagian tubuh lain.

Gas SO2 merupakan bahan pencemar yang berbahaya bagi anak-anak,

orang tua dan orang penderita penyakit pernapasan kronis dan penyakit

kardiovaskuler. Otot saluran pernapasan dapat mengalami kejang (spasme)

bila teriritasi oleh SO2 lebih tinggi dari temperatur udara rendah. Apabila

waktu paparan gas dengan gas SO2 cukup lama maka akan terjadi

peradangan yang hebat pada selaput lendir yang diikuti oleh kelumpuhan

sistem pernapasan (paralysis cilia), kerusakan lapisan epthilium yang pada

akhirnya diikuti oleh kematian (Soeratmo, 1990).

3. Hidrogen Sulfida (H2S)

Hidrogen sulfida merupakan gas yang tidak berwarna dan

menimbulkan bau busuk. Dalam KEPMEN LH No. 50 Tahun 1996 gas ini

disebut sebagai zat odoran tunggal. Sekalipun gas ini bersifat iritan bagi

paru-paru, tetapi ia digalongkan ke dalam asphyxiant karena efek utamanya

adalah melumpuhkan pusat pernafasan, sehingga kematian disebabkan oleh

terhentinya pernapasan. Hidrogen sulfida juga bersifat sangat korosif

terhadap metal, dan dapat menghitamkan berbagai material. Karena H2S

lebih berat daripada udara, maka H2S ini sering didapat disumur-sumur,

saluran air buangan, dan biasanya ditemukan bersama-sama gas beracun

lainnya seperti metan, karbon dioxide dan bersifat sangat mudah terbakar.

Gas H2S mudah didapat secara alamiah pada gunung-gunung berapi, dan

dekomposisi zat organik. Emisi hidrogen sulfida didapat pada industri

8

kimia, industri minyak bumi, kilamg minyak, dan terutama pada industri

yang memproduksi gas sebagai bahan bakar (Soemirat., 1994).

4. Oksida Nitrogen (NOx)

Menurut Supriyono (1999), oksida nitrogen merupakan salah satu

komponen kimia pokok dalam reaksi fotokimia yang dapat mengakibatkan

pembentukan oksidan fotokimia. Sebagian besar emisi gas oksida nitrogen

berasal dari pembakaran bahan bakar pada kendaraan bermotor. Dampak

negatif yang ditimbulkan jika seseorang menghisap gas oksida nitrogen di

luar standar baku mutu kualitas udara dapat mengakibatkan gangguan

kesehatan pada pernapasan dan bronkhitis.

Nitrogen oksida terbentuk dalam reaksi temperatur yang tinggi dari

pembakaran bahan bakar kendaraan bermotor, dimana komponen nitrogen

yang bereaksi dengan oksigen membentuk senyawa nitrogen oksida (NO)

sebagai hasil emisi dari kendaraan bermotor seperti tergambar dalam reaksi

kimia berikut (Wellburn, 1990 dalam Septiyanzar, 2008).

N2 + O2 2 NO

NO + O3 NO2 + O2

NO2 + O3 NO3 + O2

NO3 + NO2 N2O5

N2O5 + H2O 2HNO3

Emisi gas buang berupa oksida nitrogen (NOx) adalah senyawa-

senyawa pemicu pembentukan ozon. Senyawa ozon di lapisan atmosfer

bawah (troposfer bawah, pada ketinggian 0 – 2000 meter) terbentuk akibat

adanya reaksi fotokimia senyawa NOx

dengan bantuan sinar matahari. Oleh

karena itu potensi produksi ozon troposfer di daerah beriklim tropis seperti

Indonesia sangat tinggi. Karena merupakan pencemar sekunder, konsentrasi

ozon di luar kota – di mana tingkat emisi senyawa pemicu umumnya lebih

rendah dibanding di pusat kota – seringkali ditemukan lebih tinggi daripada

di pusat kota (Anonim, 2006).

9

5. Partikulat (PM)

Partikulat adalah padatan atau cairan di udara dalam bentuk asap, debu

dan uap, yang dapat berada di atmosfer dalam waktu yang lama. Selain

mengganggu estetika, partikel berukuran kecil di udara dapat terhisap ke

dalam sistem pernapasan dan menyebabkan penyakit gangguan pernapasan

serta kerusakan paru-paru. Partikulat juga merupakan sumber utama haze

(kabut asap) yang menurunkan jarak pandang. Partikel yang terhisap ke

dalam sistem pernapasan akan di sisihkan tergantung dari diameternya.

Partikel berukuran besar akan tertahan pada saluran pernapasan atas,

sedangkan partikel kecil (inhalable) akan masuk ke paru-paru dan bertahan

di dalam tubuh dalam waktu yang lama (Anonim, 2006).

Partikel yang terhirup (inhalable) juga dapat merupakan partikulat

sekunder, yaitu partikel yang terbentuk di atmosfer dari gas-gas hasil

pembakaran yang mengalami reaksi fisik-kimia di atmosfer, misalnya

partikel sulfat dan nitrat yang terbentuk dari gas SO2

dan NOx. Umumnya

partikel sekunder berukuran 2,5 mikron atau kurang. Partikel PM2,5

bersifat

respirable karena dapat memasuki saluran pernapasan yang lebih bawah dan

menimbulkan risiko yang lebih tinggi. Proporsi cukup besar dari PM2,5

adalah amonium nitrat, amonium sulfat, natrium nitrat, dan karbon organik

sekunder. Partikel-partikel ini terbentuk di atmosfer dengan reaksi yang

lambat sehingga sering ditemukan sebagai pencemar udara lintas batas yang

ditransportasikan oleh pergerakan angin ke tempat yang jauh dari

sumbernya (Harrop, 2002, dalam Anonim, 2006). Partikel sekunder PM2,5

dapat menyebabkan dampak yang lebih berbahaya terhadap kesehatan

bukan saja karena ukurannya yang memungkinkan untuk terhisap dan

masuk lebih dalam ke dalam sistem pernapasan tetapi juga karena sifat

kimiawinya. Partikel sulfat dan nitrat yang inhalable dan bersifat asam akan

bereaksi langsung di dalam sistem pernapasan, menimbulkan dampak yang

lebih berbahaya daripada partikel kecil yang tidak bersifat asam. Partikel

logam berat dan yang mengandung senyawa karbon dapat mempunyai efek

karsinogenik, atau menjadi carrier pencemar toksik lain yang berupa gas

atau semi gas karena menempel pada permukaannya. Termasuk ke dalam

10

partikel inhalable adalah partikel timbel (Pb) yang diemisikan dari gas

buang kendaraan bermotor yang menggunakan bahan bakar mengandung

Pb. Partikel ini berukuran lebih kecil dari 10 dan 2,5 mikrometer (Anonim,

2006).

Partikulat diemisikan dari berbagai sumber, termasuk pembakaran

bahan bakar minyak, pencampuran dan penggunaan pupuk dan pestisida,

konstruksi, proses-proses industri seperti pembuatan besi dan baja,

pertambangan, pembakaran sisa pertanian (jerami), dan kebakaran hutan.

Partikel debu yang berasal dari proses peleburan, telah terjadi akumulasi

beberapa unsur kimia, sehingga akan sangat berbahaya sekali apabila tidak

ditanggulangi. Gangguan partikel ini sangat berbahaya kepada kesehatan

terutama dapat menimbulkan sesak napas, dan menimbulkan iritasi pada

kulit (Syahputra, 2005).

6. Ozon (O3)

Ozon termasuk pencemar sekunder yang terbentuk di atmosfer dari

reaksi fotokimia NOx

dan HC. Ozon bersifat oksidator kuat, karena itu

pencemaran oleh ozon troposferik dapat menyebabkan dampak yang

merugikan bagi kesehatan manusia. Laporan Badan Kesehatan Dunia

menyatakan konsentrasi ozon yang tinggi (>120 µg/m3) selama 8 jam atau

lebih dapat menyebabkan serangan jantung dan kematian atau kunjungan ke

rumah sakit karena gangguan pada sistem pernapasan. Konsumsi pada

konsentrasi 160 µg/m3

selama 6,6 jam dapat menyebabkan gangguan fungsi

paru-paru akut pada orang dewasa yang sehat dan pada populasi yang

sensitive (Anonim, 2006).

Percepatan produksi ozon dibantu dengan kehadiran senyawa lain

selain NOx yaitu hidrokarbon, CO, dan senyawa-senyawa radikal yang juga

diemisikan dari pembakaran bahan bakar fosil. Puncak pola fluktuasi harian

ozon umumnya terjadi setelah terjadinya puncak konsentrasi NOx, dan

menimbulkan efek yang lebih merugikan terhadap kesehatan karena adanya

11

kombinasi pencemar NOx

dan ozon yang menyebabkan penurunan fungsi

paru-paru (Hazucha, 1996, dalam Anonim 2006).

Selain menyebabkan dampak yang merugikan pada kesehatan

manusia, pencemar ozon dapat menyebabkan kerugian ekonomi akibat

ausnya bahan atau material (tekstil, karet, kayu, logam, cat, dan lain-lain),

penurunan hasil pertanian, dan kerusakan ekosistem seperti berkurangnya

keanekaragaman hayati. (Agrawal et al., 1999, dalam Anonim, 2006).

C. Mekanika Fluida

1. Dasar Mekanika Fluida

Mekanika adalah suatu studi yang mempelajari tentang cairan dan gas

baik pada saat diam maupun saat bergerak (Okiishi et al., 2006). Dalam

fluida bergerak, kemampuan untuk menyalurkan gaya geser suatu fluida

dapat dikenali dengan adanya nilai viskositas dinamik µ, dimana fluida yang

berada pada suatu bidang permukaan dianggap bergerak dengan kecepatan

U paralel terhadap bidang permukaan yang diam stasioner.

Selain itu, viskositas dinamik µ juga digunakan dalam menentukan

bilangan Reynolds yang dapat dilihat pada Persamaan 1.

.......................................................................................... (1)

dimana L adalah jarak sepanjang permukaan x untuk aliran eksternal dan L

adalah Dh = (4 x luas penampang) / (keliling terbasahi) untuk aliran pada

saluran bukan silinder, serta L adalah diameter D untuk aliran internal dalam

pipa silinder. Nilai bilangan Reynolds digunakan untuk menentukan jenis

aliran fluida apakah aliran tersebut termasuk jenis aliran laminar atau aliran

turbulen. Untuk aliran eksternal, aliran turbulen memiliki nilai ReL ≥ 5 x 105

disepanjang bidang permukaan tempat fluida itu mengalir dan ReL ≥ 2 x 104

jika fluida tersebut mengalir diseputar benda. Sedangkan untuk aliran

internal aliran turbulen memiliki nilai ReDh ≥ 2300 (Tuakia, 2008).

Aliran turbulen dapat dikenali dengan adanya medan kecepatan yang

berfluktuasi. Fluktuasi kecepatan tersebut membawa berbagai besaran

mrUL

L =Re

12

seperti momentum, energi, konsentrasi partikel, sehingga besaran tersebut

juga ikut berfluktuasi (Tuakia, 2008).

Fluida yang bergerak dengan kecepatan U pada suatu bidang

permukaan solid dipengaruhi oleh tekanan terhadap permukaan solid

tersebut yaitu τ .A, dimana τ adalah tegangan geser dan A adalah luas

permukaan solid yang dialiri fluida (Fletcher, 2006). Besarnya nilai

tegangan geser τ dapat diketahui secara empirik dengan dipengaruhi oleh

gradien kecepatan fluida ∂u/∂y, sebagaimana terlihat pada Persamaan (2)

yu¶¶

= mt ……………. ................................................... ……..(2)

dimana : τ : Tegangan geser ,N/m2

µ : Viskositas dinamik, kg/m.s

u : Kecepatan parsial fluida, m/s

y : Jarak terhadap permukaan solid, m

Nilai viskositas dinamik µ dan konduktivitas panas k dapat

mempengaruhi besarnya nilai momentum dan energi, maka dari itu nilai

viskositas kinematik ν dan difusivitas panas α juga dapat dihitung dengan

Persamaan (3) dan (4)

……………………………………………………………(3)

dan,

……………………………………………………….(4)

dimana, ν : viskositas kinematik, m2/s

ρ : density, kg/m3

k : konduktivitas panas, W/m.K

α : difusivitas panas, m2/s

Cp : panas jenis pada tekanan konstan, J/kg.K

Difusivitas α dan viskositas kinematik ν pada fluida jenis gas seperti

udara akan meningkat sejalan dengan meningkatnya temperatur, sedangkan

rm

=v

pCk.r

a =

13

untuk fluida jenis cair seperti air, viskositas akan menurun secara signifikan

dengan peningkatan temperatur namun difusivitas panas akan meningkat

secara perlahan (Fletcher, 2006).

Difusivitas masa didefinisikan oleh hukum Fick’s I yang merupakan

rasio fluks terhadap perubahan konsentrasi. Hal ini dapat dianalogikan

seperti difusivitas panas dalam hukum Fourier’s dan viskositas kinematik

dalam hukum Newton. Hubungan nilai difusivitas masa dengan nilai

viskositas kinematik pada kondisi tekanan konstan dipengaruhi oleh nilai

angka Schmith (Sc) sebagaimana dirumuskan pada Persamaan (5) (Kreith,

1998).

………………………………………………….(5)

dimana, Di : koefisien difusivitas masa, m2/s

Sc : angka Schmith

2. Aliran di sekitar permukaan silinder

Fluida yang mengalir dengan kecepatan seragam jika berbenturan

dengan suatu bidang permukaan solid akan mengakibatkan terjadinya

perubahan pola aliran sehingga beberapa besaran seperti kecepatan, tekanan,

momentum dan energi juga akan terbawa berubah atau berfluktuasi.

Perubahan pola aliran fluida yang terjadi akan mengikuti karakteristik

bentuk bidang permukaan solid tersebut (Okiishi et al., 2006). Untuk bidang

permukaan yang berbentuk silinder, pola aliran fluidanya dapat dilihat pada

ilustrasi Gambar 1.

Fungsi aliran stream ψ di sekitar permukaan silinder dapat ditentukan

dengan Persamaan (6)

……………………………………………(6)

Dan potensial kecepatan ϕ dirumuskan oleh Persamaan (7)

…………………………………………….(7)

dimana : ψ : fungsi aliran stream, m2/s

qy sin1 2

2

÷÷ø

öççè

æ-=

ra

Ur

qf cos1 2

2

÷÷ø

öççè

æ+=

ra

Ur

cci S

vS

D ==.rm

ϕ : kecepatan potensial,

U : kecepatan fluida seragam,

r : jarak titik aliran terhadap titik pusat silinder,

a : radius atau jari

θ : sudut kemiringan jarak

Gambar 1. Ilustrasi aliran di sekitar silinder (Okiishi

Komponen kecepatan aliran fluida di sekitar silinder dapat

diidentifikasi dari besarnya perubahan kecepatan potensial dan fungsi aliran

terhadap jarak r, sebagaimana dirumuskan oleh Persamaan (8).

Tepat pada permukaan silinder dimana (

fluida di titik jarak r

komponen kecepatan lainnya akan menjadi :

Sebaran tekanan yang terjadi di permukaan silinder diturunkan dari

persamaan Bernoulli, sehingga dapat dirumuskan dengan Persamaan (10)

f 1=

¶¶

=rr

v r

q sin2Uv s -=

0 21

+= pp s

qf

q1

=¶¶

=r

v

kecepatan potensial, m2/s

: kecepatan fluida seragam, m/s

: jarak titik aliran terhadap titik pusat silinder, m

: radius atau jari-jari silinder, m

: sudut kemiringan jarak r terhadap arah aliran fluida

Gambar 1. Ilustrasi aliran di sekitar silinder (Okiishi et al., 2006).



, sebagaimana dirumuskan oleh Persamaan (8).

…..…………………..(8.a)

……..……………(8.b)

rmukaan silinder dimana (r = a), maka nilai kecepatan

r dan fungsi aliran ψ adalah (vr = ψ = 0), sedangkan

komponen kecepatan lainnya akan menjadi :

………………………………..……………….(9)



.……………………………..

qqy

cos1 2

2

÷÷ø

öççè

æ-=

¶¶

ra

U

qsin

( )qr 22 sin41 -U

qysin1 2

2

÷÷ø

öççè

æ+-=

¶¶

-=ra

Ur

14

terhadap arah aliran fluida

2006).



…..…………………..(8.a)

……..……………(8.b)

), maka nilai kecepatan

= 0), sedangkan

………………………………..……………….(9)



……………………………..(10)

15

dimana, ps : tekanan pada permukaan silinder, N/m2

po : tekanan atmosfer, N/m2

Besaran gaya yang terjadi pada permukaan silinder dipengaruhi oleh

faktor tekanan dan gaya gesek. Komponen gaya (Fx dan Fy) tersebut dapat

dianalisis dari resultan tegangan geser dan distribusi tekanan yang

diintegrasikan terhadap luasan elemen permukaan silinder yang terlintasi

aliran fluida (Okiishi et al., 2006), seperti diilustrasikan oleh Gambar 2.

Gambar 2. Ilustrasi faktor tekanan dan tegangan geser pada permukaan silinder tampak atas (Okiishi et al., 2006).

Komponen gaya yang terjadi pada permukaan silinder dituliskan pada

Persamaan 11.

…………………………….(11.a)

……………………………(11.b)

Besaran gaya yang berpengaruh terhadap objek secara aksial atau

horizontal disebut drag yang dinotasikan D, sedangkan besaran gaya yang

berpengaruh terhadap objek secara vertikal disebut sebagai lift yang

dinotasikan L. Drag dan lift diperoleh dari integral Persamaan 10, yaitu

dituliskan pada Persamaan 12.

D ………………..(12.a)

L ……………….(12.b)

dimana, Re : Reynolds number

ρ : densitas fluida, kg/m3

x

y

( ) ( ) qtq sincos. dAdApdF wx +=

( ) ( ) qtq cossin. dAdApdF wy +-=

ò òò +== dAdApdF wx qtq sincos

ò òò +-== dAdApdF wy qtq cossin

16

U : kecepatan aliran fluida, m/s

D : diameter silinder, m

µ : viskositas dinamik, kg/m.s

θ : sudut kemiringan dari searah aliran fluida, deg

p : tekanan, Pa

τw : tegangan geser pada dinding, N/m2

b : panjang permukaan silinder, m

dA : perubahan luasan elemen permukaan silinder, m2

dθ : perubahan sudut kemiringan, deg

dFx , dFy : komponen perubahan gaya yang terjadi sepanjang

permukaan silinder, N

Selain itu, komponen gaya yang timbul pada permukaan silinder

adalah gaya tekan dan gaya gesek. Gaya tekan adalah gaya normal yang

tegak lurus terhadap bidang permukaan objek dan dipengaruhi oleh gradient

kecepatan fluida dan separasi aliran fluida, sedangkan gaya gesek

merupakan gaya yang sejajar bidang permukaan atau dinding objek dan

dipengaruhi oleh besaran tegangan geser (Okishii et al., 2006). Sebagaimana

diilustrasikan pada Gambar 2, kedua gaya tersebut merupakan besaran gaya

yang membentuk resultan gaya pada bidang koordinat x dan y, yaitu

dinotasikan dengan Persamaan 13.

Gaya normal :

……………………………………………….(13.a)

Gaya gesek :

……………………………………………….(13.b)

Sehingga drag dari gaya normal (drag pressure), Dp, dan drag dari

gaya gesek (drag friction), Df, dapat dituliskan :

Dp …………………..(14.a)

Df …………………(14.b)

dApN qcos=

dAF wf qt sin=

ò ò÷øö

çèæ==

p

qqq0

cos2

2cos dpbD

dAp

ò ò÷øö

çèæ==

p

qqtqt0

sin2

2sin dbD

dA ww

fungsi drag friction

tegangan geser, namun d

objek yang menerima aksi dari peristiwa fisika fluida yang mengalir.

Nilai koefisien

dengan kecepatan rata

Persamaan 15.

………………………………………………………..(1

Dimana, N : gaya normal,

Ff :

Dp :

Df :

CD:

3. Ketebalan boundary layer

pada boundary layer

Menurut Okiishi

suatu aliran merupakan pusat momentum fluks. Hal ini diilustrasikan pada

Gambar 3.

Gambar 3. Aliran pada

Momentum fluks yang terjadi di dala

kecepatan fluida seragam

Persamaan 16 dan Persamaan 1

D AU

C D 221 r

=

=Q2bU rr

drag friction tidak hanya besaran yang dipengaruhi oleh

tegangan geser, namun dalam hal ini juga berorientasi terhadap permukaan


Nilai koefisien drag pada permukaan silinder berbanding terbalik

dengan kecepatan rata-rata dan densitas fluida, sebagaimana ditulisk

………………………………………………………..(1

: gaya normal, N

: gaya gesek, N

: drag pressure

: drag friction

: koefisien drag

boundary layer pada permukaan ground dan tegangan geser

ry layer

Menurut Okiishi et al. (2006), ketebalan momentum boundary layer


Gambar 3. Aliran pada boundary layer (Okiishi et al., 2006).

Momentum fluks yang terjadi di dalam lapisan layer dengan

kecepatan fluida seragam U dan ketebalan Ө, direpresentasikan pada

dan Persamaan 17.

……..…………………………...(1ò¥

-0

)( dyuUubr

17

tidak hanya besaran yang dipengaruhi oleh

alam hal ini juga berorientasi terhadap permukaan


pada permukaan silinder berbanding terbalik

rata dan densitas fluida, sebagaimana dituliskan pada

………………………………………………………..(15)

dan tegangan geser

boundary layer


., 2006).

m lapisan layer dengan

, direpresentasikan pada

……..…………………………...(16)

18

atau

…………………………………………….(17)

Besarnya nilai tegangan geser pada permukaan ground, secara empirik

dapat diturunkan dari persamaan integral momentum untuk aliran boundary

layer pada permukaan ground tersebut.

…………………………………………………(18)

dimana τw adalah tegangan geser pada permukaan tanah (N/m2), dan dӨ/dx

adalah perubahan ketebalan lapisan layer terhadap perubahan jarak yang

searah dengan kecepatan udara. Sehingga tegangan geser pada permukaan

tanah sangat dipengaruhi oleh besarnya perubahan ketebalan lapisan layer

terhadap arah sumbu x. Tegangan geser pada permukaan tanah akan

berbanding lurus terhadap peningkatan boundary layer (Okiishi et al., 2006)

4. Fenomena Pemisahan Aliran

Perubahan pola aliran terjadi jika medan aliran fluida terhalang oleh

suatu benda, sehingga merubah kondisi stasioner fluida tersebut. Hal ini

timbul akibat sifat fluida yang selalu mencari kondisi kesetimbangan baru

ketika kondisi stasioner fluida tersebut tergangggu (Anonimous, 2003).

Dalam kondisi aliran udara steady yang terhalang oleh sebuah silinder

cerobong, akan terbentuk suatu pola aliran baru akibat adanya integral

momentum volume udara yang melewati permukaan silinder cerobong.

Kecepatan udara seragam yang dihembuskan searah dengan sumbu x pola

alirannya akan terpecah atau terpisah pada saat melewati silinder cerobong

dikenal dengan istilah creeping flow. Besarnya jarak pemisahan aliran fluida

sangat dipengaruhi oleh nilai angka Reynold yang dimiliki aliran tersebut.

Ketika terjadi pemisahan aliran, maka terjadi pula pusaran-pusaran lokal

fluida yang disebut vortex. Vortex akan terbentuk pada rentang nilai Re

tertentu, dimana semakin bertambah nilai Re yang dimiliki aliran fluida

maka semakin banyak vortex yang terbentuk. Namun pada nilai Re tertentu

juga pasangan vortices yang terbentuk akan tidak stabil sejalan dengan

ò¥

-=Q0

)1( dyUu

Uu

dxd

Uw

Q= 2rt

bertambahnya nilai Re

dari pada yang lainnya dan memiliki kekuatan yang sema

pada suatu titik akan terlepas bebas tanpa terikat terhadap silinder yang

kemudian akan terbentuk lagi

Potensi pembentukan

sebagaimana diilustrasikan pa

Gambar 4. Skema terbentuknya lapisan geser (akan membentuk

Fenomena terlepasnya

istilah vortex shedding

kemudian terhalang oleh sebuah silinder secara ilustrasi dapat dilihat pada

Gambar 5.

Gambar 5. Ilustrasi aliran bagian bawah (Okiishi

Re, sehingga salah satu vortex akan tumbuh lebih besar

dari pada yang lainnya dan memiliki kekuatan yang semakin besar sehingga


kemudian akan terbentuk lagi vortex baru (Okishii et al., 2006).

Potensi pembentukan vortex dalam aliran dinamakan sebagai

sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 4.

(a).

(b).

Gambar 4. Skema terbentuknya lapisan geser (shear layer) yang selanjutnya akan membentuk vortex (Okiishi et al., 2006).

Fenomena terlepasnya vortex dari permukaan silinder dikenal dengan

vortex shedding. Bagi fluida yang mengalir di atas permukaan solid


Gambar 5. Ilustrasi aliran vortex di atas permukaan solid pada silinder bagian bawah (Okiishi et al., 2006).

19

akan tumbuh lebih besar

kin besar sehingga


vorticity,

) yang selanjutnya

dari permukaan silinder dikenal dengan

uida yang mengalir di atas permukaan solid


di atas permukaan solid pada silinder

20

D. Dispersi Udara

Secara umum tingkat kadar pencemaran udara dominan dipengaruhi oleh

faktor kondisi yang terjadi di atmosfer. Parameter meteorologi akan

mempengaruhi penyebaran (dispersi), pengenceran (dilusi), perubahan

(transformasi) fisik dan kimia dari zat-zat pencemar udara yang diemisikan, serta

proses transportasi atau perpindahan dan deposisi basah dan kering yang terjadi.

Dalam Soedomo (2001), dijelaskan bahwa kondisi atmosfer sangat dinamik yang

secara alami mampu melakukan dispersi, dilusi dan transformasi baik melalui

proses fisika maupun kimia serta mekanismekinetik atmosfer terhadap zat-zat

pencemar.

Menurut Davis et al. (2004), faktor pengaruh transportasi, dilusi dan

dispersi gas polutan umumnya ditentukan oleh karakteristik titik emisi, bahan

(material) polutan alam, kondisi meteorologi, dan struktur antropogenik wilayah

tercemar. Dispersi pencemar terjadi karena ada tenaga yang membawa pencemar

tersebut dari sumbernya ke udara ambien, sedangkan difusi terjadi karena adanya

perbedaan konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah.

Menurut Vesilind et al. (1994), dispersi udara merupakan suatu proses

pergerakan udara yang terkontaminasi dari sumber emisi (source of emission)

menyebar melalui suatu luas area wilayah tertentu untuk mereduksi konsentrasi

gas polutan yang terkandung dalam udara terkontaminasi tersebut. Pergerakan

atau penyebaran udara terkontaminasi terjadi secara vertikal maupun horizontal.

Proses dispersi dan difusi akan menghasilkan dilusi (pengenceran) zat

pencemar dari suatu sumber yang konsentrasinya sangat kental di udara ambien

dengan hasil konsentrasi yang lebih rendah. Transformasi zat pencemar di

atmosfer merubah zat tersebut menjadi zat lain yang berbeda sifatnya baik secara

fisika maupun kimia dan juga kadar toksisitasnya. Proses transformasi yang

dimaksudkan disini adalah proses transformasi zat-zat pencemar selama berada di

udara yang mengalami perubahan fisik dan kimia yang dipengaruhi oleh difusi

molekuler dan turbulen, terdapatnya uap air dan adanya radiasi matahari

(Soedomo, 2001).

Pergerakan udara disebabkan oleh adanya radiasi surya dan bentuk

permukaan bumi yang tidak rata, dimana daya serap panas permukaan bumi

terhadap radiasi surya tersebut berbeda dengan daya serap panas di atmosfer. Hal

ini menimbulkan adanya sistem pergerakan

dinamika panas atmosfer bumi juga menghasilkan perbedaan dalam tekanan

barometrik (Vesilind et al., 1994).

1. Model Dispersi

Pemodelan dispersi udara berasal dari model analitik semi empiris

yang berdasarkan pada persamaan d

dikembangkan diverifikasi dengan data koefisien difusi di atmosfer dan data

konsentrasi pencemaran udara yang diambil langsung lokasi pengukuran.

a. Model Gaussian

Model dispersi yang popular digunakan adalah model dispersi

Gaussian yang terlihat pada Gambar 6.

untuk point source

konsentrasi polutan ke arah vertikal dan horisontal sesuai dengan distribusi

normal (Sugiyono, 1995). Dalam model ini penyeb

mengikuti asumsi :

- sumber emisi mengeluarkan material secara kontinu.

- medan angin homogen baik ke arah vertikal maupun horisontal.

- perubahan bentuk polutan secara fisik dan kimiawi selama di udara

tidak diperhitungkan.

- semua variabel dianggap stasioner.

Penyebaran berdasarkan metoda difusi Gauss ganda, adalah

penyebaran dengan normal (distribusi Gauss) arahGambar 6. Model dispersi Gaussian (Vesilind


ini menimbulkan adanya sistem pergerakan (dynamic sistem). Kemudian, sistem


., 1994).


yang berdasarkan pada persamaan difusi. Persamaan difusi yang



Model Gaussian


ian yang terlihat pada Gambar 6. Model Extended Gaussian Plume

point source, dibuat berdasarkan kenyataan bahwa distribusi


normal (Sugiyono, 1995). Dalam model ini penyebaran polutan dianggap

sumber emisi mengeluarkan material secara kontinu.

medan angin homogen baik ke arah vertikal maupun horisontal.

perubahan bentuk polutan secara fisik dan kimiawi selama di udara

tidak diperhitungkan.

variabel dianggap stasioner.


penyebaran dengan normal (distribusi Gauss) arah-y dan arah-z, sedangkan

Ket : Δh : tinggi kepulan (plume)h : tinggi stack actualH : tinggi stack effectiveū : arah sebaran angin

Gambar 6. Model dispersi Gaussian (Vesilind et al.,1994)

21


). Kemudian, sistem



ifusi. Persamaan difusi yang




Extended Gaussian Plume

, dibuat berdasarkan kenyataan bahwa distribusi


aran polutan dianggap

medan angin homogen baik ke arah vertikal maupun horisontal.

perubahan bentuk polutan secara fisik dan kimiawi selama di udara


z, sedangkan

Δh : tinggi kepulan (plume) stack actual stack effective

sebaran angin

22

arah-x didominasi oleh kecepatan angin. Beberapa model Gauss dibangun

sesuai dengan macam sumber emisinya, salah satunya adalah persamaan

difusi Gauss ganda untuk sumber tunggal kontinyu. Persamaan dasar untuk

sumber tunggal kontinyu dalam keadaan steady (Soenarmo, 1999).

ò ò¥

¥-

= CudydzQ ............................................................................. (19)

kemudian dikembangkan menjadi persamaan Gauss untuk sumber tunggal

kontinyu ( Soenarmo, 1999), sebagai :

( ) ( )ïþ

ïýü

ïî

ïíì

úúû

ù

êêë

é÷÷ø

öççè

æ ++÷÷

ø

öççè

æ --

ïþ

ïýü

ïî

ïíì

úúû

ù

êêë

é-=

222

21

.exp21

.exp2

),,(zzyzy

HzHzyuQ

zyxCsssssp

……..(20)

dimana, C : Konsentrasi Pencemaran udara pada titik (x,y,z), µg/m3

Q : Laju emisi / laju pancaran, g/det

u : Kecepatan angin rata-rata (wind speed), m/det

x : Jarak ke arah-x (downwind), m

y : Jarak ke arah-y (crosswind), m

z : Jarak ke arah-z (vertikal), m

H : Tinggi emisi efektif (h + ∆h), m

h : Tinggi cerobong fisik, m

∆h : Penambahan tinggi kepulan (plume rise) oleh pengaruh angin dan kecepatan keluaran / emisi, m

σ y : Koefisien dispersi arah sumbu-y

σ z : Koefisien dispersi arah sumbu-z

Notasi C menyatakan konsentrasi parameter kualitas udara di ambien

dengan satuan masa per meter kubik (µg/m3). Notasi σ

y dalam literatur

adalah konstanta deviasi standar dispersi horizontal dan σz

untuk konstanta

deviasi standar dispersi vertikal yang keduanya dinyatakan dalam satuan

meter (m). Notasi u adalah kecepatan angin rata-rata dalam meter per detik

(m/det), sedangkan notasi Q menyatakan kecepatan alir gas pada saat keluar

dari cerobong yang dinyatakan dalam satuan gram per detik (g/det). Ketika

23

pengukuran konsentrasi polutan dilakukan pada ground level yang berarti

bahwa z = 0, maka persamaannya menjadi :

ïþ

ïýü

ïî

ïíì

úû

ùêë

é-

ïþ

ïýü

ïî

ïíì

úúû

ù

êêë

é-=

22

21

.exp21

.exp)0,,(zyzy

Hyu

QyxC

ssssp ........................ (21)

Untuk mengetahui konsentrasi gas polutan di sepanjang garis pusat

kepulan (plume centerline), yang berarti bahwa nilai y = 0, maka Persamaan

(21) berubah menjadi :

ïþ

ïýü

ïî

ïíì

úû

ùêë

é-=

2

21

.exp)0,,(zzy

Hu

QyxC

sssp ..................................................... (22)

Terakhir, untuk sumber emisi pada ground level dimana H = 0 ,maka

Persamaan (22) menjadi :

zyuQ

xCssp

=)0,0,( .................................................................................. (23)

Persamaan ini digunakan untuk tingkat dasar (ground level), yang

mana konsentrasi garis pusat (center line concentration) dari sumber titik

berada pada tingkat dasar.

Penentuan laju emisi Q untuk sumber tunggal kontinyu diperoleh dari

data langsung yang diperoleh dari pengukuran emisi di lubang keluaran

(stack) atau dihitung dari kapasitas produksi berdasarkan prosesnya.

Sedangkan penentuan kecepatan udara rata-rata (wind speed) adalah dengan

analisis mawar angin (wind rose), yaitu didasarkan pada perhitungan arah

angin dominan dan kecepatan angin rata-rata pada arah dominan.

Perhitungan koefisien dispersi diperoleh dari suatu formula yang

menunjukkan hubungan antara koefisien dispersi dengan koefisien stabilitas

atmosfer sebagai fungsi jarak x, y, dan z. Koefisien stabilitas atmosfer

diperoleh dari pengukuran stabilitas atmosfer (empiris). Faktor yang menjadi

indikasi stabilitas atmosfer antara lain lapse rate (penurunan temperatur

udara terhadap ketinggian atmosfer) atau profil temperatur udara, profil arah

dan kecepatan angin (Soenarmo,1999).

Albert H. Holland mengembangkan perhitungan tinggi kepulan

(plume), yaitu bahwa tinggi kepulan akan menurun dengan bertambahnya

kecepatan angin, atau dengan kata lain tinggi kepulan ( Δh ) berbanding

terbalik dengan kecepatan angin (Davis

memperhitungkan momentum dan panas yang keluar dari cerobong, maka

perhitungan tinggi kepulan (Δh) mengikuti Persamaan (24

êêë

éççè

æ+=D

u

dvh s 68.25.1

dimana : vs : kecepatan gas keluar

d : diameter atas

u : kecepatan angin rata

: Tekanan atmosfer,

Ts : temper

Ta : temperatur udara atmosfer (ambien),

Persamaan (24) adalah untuk kondisi atmosfer dengan tingkat

stabilitas netral (kelas C atau D), sedangkan untuk kondisi atmosfer yang

stabil (kelas A atau B) m

1,15 dan apabila tidak stabil (kelas E atau F) maka hasil pada Persamaan 24

dikalikan 0,85.

b. Model Eulerian

Konsep ini menerangkan bahwa pergerakan fluida digambarkan

dengan sifat-sifat fisik fluida terse

dan kecepatan. Kemudian sifat fisik tersebut di deskripsikan sebagai fungsi

ruang dan waktu sehingga diperoleh informasi aliran fluida pada suatu titik

dalam ruang (Okiishi

dalam Septiyanzar (2008), pada model Eulerian konsentrasi gas pencemar

diperhitungkan pada lokasi tertentu yang disebut grid dalam setiap waktu.

Dalam grid ini terjadi proses transport dan reaksi kimia yang dipengaruhi

oleh faktor meteorologi, se

sebagai fungsi terhadap waktu.

c. Model Lagrangian


terbalik dengan kecepatan angin (Davis et al., 2004). Dengan


perhitungan tinggi kepulan (Δh) mengikuti Persamaan (24):

úúû

ù÷÷ø

ö÷÷ø

öççè

æ -´ - d

T

TTP

s

as)(1068 2 ..........................................

: kecepatan gas keluar stack, m/det

: diameter atas stack, m

: kecepatan angin rata-rata, m/det

: Tekanan atmosfer, kPa

: temperatur gas keluar stack, oK

: temperatur udara atmosfer (ambien), oK



stabil (kelas A atau B) maka hasil tersebut di atas (Persamaan 24) dikalikan



sifat fisik fluida tersebut seperti temperatur, tekanan, densitas



dalam ruang (Okiishi et al., 2006). Menurut Finlayson dan Pitts (1986),




oleh faktor meteorologi, sehingga menyebabkan konsentrasi berubah

sebagai fungsi terhadap waktu.

Model Lagrangian

24


., 2004). Dengan


.......... (24)



aka hasil tersebut di atas (Persamaan 24) dikalikan



but seperti temperatur, tekanan, densitas



s (1986),




hingga menyebabkan konsentrasi berubah

Dasar dari konsep model ini yaitu dengan melibatkan partikel

fluida bergerak dan menjelaskan sifat

fluida sebagai fungsi

fluida dapat diidentifikasi dan dapat menjelaskan sifat

(Okiishi et al., 2006). Dalam kasus percemar udara atmosfer, model

lagrangian direfleksikan dengan meninjau suatu parsel udara y

pada lintasan tertentu yang dipengaruhi oleh faktor meteorologi. Perubahan

konsentrasi pada parsel yang mengalir inilah yang diperhitungkan setiap

saat dalam model lagrangian (Septiyanzar, 2008).

Perbedaan analisa aliran fluida antara model e

lagrangian dapat dilihat dalam kasus kepulan gas polutan dari cerobong

seperti pada Gambar 7.

Gambar 7. Ilustrasi pengambilan data temperatur aliran fluida pada lagrangian dan eulerian (Okiishi

Pada metode eulerian,

bagian atas cerobong dan dicatat sebagai fungsi waktu. Pada waktu yang

berbeda terdapat partikel benda melintasi alat pengukur. Karena temperatur

diukur pada satu titik (

temperatur didefinisikan sebagai fungsi waktu dan tempat, sehingga

temperatur dapat dituliskan sebagai

alat ukur temperatur pada berbagai titik dapat memberikan informasi bidang

temperatur temperatu

sebuah partikel sebagai fungsi waktu tidak dapat diketahui sampai lokasi

dari partikel diketahui sebagai fungsi waktu. Sedangkan pada metode

Dasar dari konsep model ini yaitu dengan melibatkan partikel

fluida bergerak dan menjelaskan sifat-sifat fluida dengan perubahan partikel

fluida sebagai fungsi dari waktu. Karena itu dengan metode ini partikel

fluida dapat diidentifikasi dan dapat menjelaskan sifat-sifat fluida tersebut

, 2006). Dalam kasus percemar udara atmosfer, model

lagrangian direfleksikan dengan meninjau suatu parsel udara yang mengalir



saat dalam model lagrangian (Septiyanzar, 2008).

Perbedaan analisa aliran fluida antara model eulerian dan model


seperti pada Gambar 7.

Gambar 7. Ilustrasi pengambilan data temperatur aliran fluida pada lagrangian dan eulerian (Okiishi et al., 2006)

Pada metode eulerian, titik partikel fluida diukur temperaturnya pada



diukur pada satu titik (x = xo, y = yo, dan z = zo) dan pada satu waktu, maka


temperatur dapat dituliskan sebagai T = T (xo, yo, zo, t). Penggunaan banyak


temperatur field, dimana T = T (x, y, z, t). Temperatur dari



25

Dasar dari konsep model ini yaitu dengan melibatkan partikel-partikel

sifat fluida dengan perubahan partikel

dari waktu. Karena itu dengan metode ini partikel

sifat fluida tersebut

, 2006). Dalam kasus percemar udara atmosfer, model

ang mengalir



ulerian dan model


Gambar 7. Ilustrasi pengambilan data temperatur aliran fluida pada

titik partikel fluida diukur temperaturnya pada



satu waktu, maka


Penggunaan banyak


). Temperatur dari



26

lagrangian temperatur diukur dari sebuah partikel hanya sebagai fungsi

waktu, dimana TA = TA (t). Penggunaan banyak alat ukur temperatur saat

partikel bergerak memberikan informasi bahwa temperatur dari partikel

fluida merupakan fungsi dari waktu, sehingga temperatur tidak dapat

diketahui sebagai fungsi dari posisi (lokasi partikel) sampai lokasi tiap

partikel diketahui sebagai fungsi waktu (Okiishi et al., 2006).

2. Stabilitas Atmosfer

Standar deviasi σy dan σ

z menentukan penyebaran kepulan gas polutan

pada arah angin lateral dan arah vertikal. Hal ini tergantung pada kondisi

stabilitas atmosfer dan jarak dari sumber emisi. Tingkat stabilitas atmosfer

yang digunakan ditentukan berdasarkan data meteorologi : penutupan awan,

tinggi dasar awan, nomor kelas insolasi yang diperoleh dari data “solar

altitude” dan tabel kategori stabilitas yang dikembangkan oleh Turner yang

diklasifikasikan ke dalam kategori A hingga F yang disebut dengan kelas

stabilitas (stability class), dimana hubungan antara stability class, kecepatan

angin, dan kondisi sinar matahari dijelaskan pada Tabel 3.

Tabel 3. Stabilitas atmosfer Turner berdasarkan kecepatan angin, radiasi matahari dan penutupan awan (Soenarmo, 1999)

Kecep. Angin perm pada 10 m (m/det)

Siang hari Malam hari Radiasi matahari datang Penutupan awan

Kuat Moderat Ringan Overcast Clear kelas 1 2 3 4 5 < 2 A A-B B E F

2 - 3 A-B B C E F 3 - 5 B B-C C D E 5 - 6 C C-D D D D > 6 C D D D D

Nilai konstanta dispersi horizontal dan vertikal, σ

y dan σ

z dapat

ditentukan dengan persamaan yang telah dikembangkan oleh D.O. Martin

(1976) dalam Davis et al. (2004), yaitu :

894.0axy =s ................................................................................. (25.a)

fcxdz +=s ................................................................................ (25.b)

dimana konstanta a, c, d, dan f didefinisikan pada Tabel 4.

27

Tabel 4. Nilai konstanta a, c, d, dan f untuk menghitung σy dan σz sebagai fungsi dari jarak (Davis et al., 2004)

Kelas stabilitas

x < 1 km x > 1 km a c d F c d f

A 213 440.8 1.941 9.27 459.7 2.094 -9.6 B 156 100.6 1.149 3.3 108.2 1.098 2 C 104 61 0.911 0 61 0.911 0 D 68 33.2 0.725 -1.7 44.5 0.516 -13 E 50.5 22.8 0.678 1.3 55.4 0.305 -34 F 34 14.35 0.74 -0.35 62.6 0.18 -48.6

Sumber : Martin,D.O.,”Comment on the change of concentration standard deviations with distance,” Journal of the Air Pollution Control Association, vol. 26, pp. 145-146, 1976.

Variasi diurnal radiasi matahari yang mempengaruhi temperatur udara

memiliki peranan penting dalam menentukan kestabilan atmosfer. Pada

malam hari kondisi udara stabil karena temperatur permukaan tanah lebih

rendah dari pada temperatur udara. Pada saat matahari terbit dan kondisi

udara cerah, radiasi matahari memanaskan permukaan tanah lebih cepat

dibandingkan udara, kondisi ini memicu timbulnya turbulensi udara.

Ketebalan lapisan konveksi semakin meningkat pada siang hari akibat

pemanasan lapisan permukaan tanah, sehingga kondisi atmosfer menjadi

tidak stabil karena pergerakan udara menjadi sangat dinamis. Pada sore hari

temperatur udara sama dengan temperatur permukaan tanah, sehingga profil

temperatur udara menjadi adiabatik karena tidak adanya fluks bahang dari

permukaan tanah (Seinfeld, 1986).

4. Kecepatan Angin

Arah angin dan kecepatan angin memegang peranan penting dalam

proses pengenceran (dilution) dan pemindahan (transportation).

Peningkatan kecepatan angin akan menyebabkan penambahan jumlah

volume udara bersama gas-gas polutan yang terkandung dalam suatu kurun

waktu tertentu. Proses penyebaran (dispersi) banyak dipengaruhi oleh variasi

arah angin jika arah angin secara kontinu menyebar ke berbagai arah maka

area sebaran polutan semakin luas, sedangkan apabila arah angin dominan

tetap bergerak hanya ke satu arah tertentu, maka daerah tersebut akan

memiliki tingkat paparan polutan yang tinggi (Liptak et al., 2000).

28

Menurut Davis et al. (2004), arah angin menentukan ke mana arah

mengalir atau bergeraknya gas yang terkontaminasi di atas permukaan.

Kecepatan angin mempengaruhi ketinggian kepulan dan nilai campuran atau

pengenceran (dilution) gas-gas pencemar yang telah diemisikan dari titik

keluaran. Peningkatan kecepatan angin akan menurunkan ketinggian

kepulan dengan membelokkan kepulan tersebut lebih cepat dari titik

keluarannya, dan penurunan ketinggian kepulan cenderung akan

meningkatkan konsentrasi polutan di permukaan tanah (ground level).

Menurut Davis et al. (2004), koreksi kecepatan angin berdasarkan

ketinggian dapat menggunakan Persamaan (26).

n

o

zoz h

huu ÷÷

ø

öççè

æ= ............................................................................................ (26)

dimana :

uz = Kecepatan angin pada ketinggian z yang diinginkan, m/det

uo = Kecepatan angin pada ketinggian standar, m/det

ho = Ketinggian alat ukur anemometer, m

hz = Ketinggian kecepatan angin yang diinginkan, m

n = Konstanta yang ditentukan berdasarkan stabilitas atmosfer

EPA (Environmental Protection Agency) United State, membedakan

kondisi stabilitas atmosfer di daerah pedesaan dan kota untuk menentukan

nilai eksponen n yang tersaji dalam Tabel 5 (Davis et al., 2004), sebagai

berikut :

Tabel 5. Aturan nilai eksponen n untuk pedesaan dan kota

Kelas stabilitas Pedesaan Kota

Kelas stabilitas Pedesaan Kota

A 0.07 0.15 D 0.15 0.25 B 0.07 0.15 E 0.35 0.30 C 0.10 0.20 F 0.55 0.30 Sumber : User’s Guide for ISC3 Dispersion Models, Vol.II, EPA-454/B-95-003b,U.S,

September, 1995

Pergerakan atmosfer dalam bentuk parsel udara atau angin disebabkan

oleh ketidakseimbangan radiasi bersih, kelembaban dan momentum diantara

29

lintang rendah dan lintang tinggi di satu pihak serta diantara permukaan

bumi dan atmosfer dilain pihak (Prawirowardoyo, 1996). Perbedaan

penerimaan radiasi matahari akan menyebabkan terjadinya perbedaan

tekanan udara. Semakin tinggi gradien tekanan maka kecepatan angin akan

semakin tinggi.

E. Dasar-dasar Simulasi

Menurut Syamsa (2003), simulasi komputer adalah usaha mengeksplorasi

model-model matematika dari suatu proses atau fenomena fisik dengan

menggunakan komputer dalam rangka memberikan gambaran situasi nyata

dengan sebagian besar rinciannya. Sedangkan simulasi proses adalah penggunaan

model matematika untuk menggambarkan secara realistik perilaku nyata dari

sistem dengan mengukur tanggap dinamik variabel-variabel proses yang dipantau,

misalnya temperatur tekanan, dan komposisi bahan. Dengan memanipulasi atau

bekerja dengan model diharapkan :

1. Dapat meramalkan hasil atau keluaran.

2. Lebih memahami model fisik dan matematik dari fenomena dan

proses.

3. Bereksperimen dengan model.

4. Melakukan pengujian dengan model.

5. Menggunakan model untuk tujuan pendidikan dan pelatihan.

Secara garis besar, simulasi proses dapat dikategorikan menjadi dua kategori

berdasarkan kondisinya yaitu simulasi pada keadaan tunak dan simulasi keadaan

dinamik (Syamsa, 2003). Simulasi keadaan tunak biasanya terdiri dari sejumlah

persamaan aljabar yang diselesaikan secara iteratif, misalnya untuk menghitung

kalkulasi panas dan keseimbangan bahan dari suatu proses dibawah kondisi

keadaan tunak yang berubah-ubah. Program simulasi keadaan tunak umum

digunakan dalam proses industri seperti pengukuran boiler dan peralatan turbin

untuk laju panas tertentu. Sedangkan simulasi keadaan dinamik tidak hanya

memperhatikan kalkulasi panas dan keseimbangan bahan dalam keadaan tunak,

tetapi juga kondisi transien dari perubahan proses. Simulasi dilakukan dengan

30

menyelesaikan persamaan persamaan diferensial non-linier berjumlah besar dalam

waktu nyata, untuk menggambarkan keseimbangan dinamik bahan dan energi dari

proses yang disimulasikan. Laju akumulasi masa dan energi dihitung secara

kontinyu dan diintegrasikan sepanjang interval waktu yang relatif kecil, yaitu

untuk menghasilkan proses tiruan dari tanggap dinamik yang realistik seperti

temperatur, tekanan dan komposisi bahan.

F. Pemodelan Matematik

Menurut Syamsa (2003), model matematik adalah gambaran dari

karakteristik dinamik suatu sistem. Agar dapat diselesaikan dengan komputer,

maka fenomena atau proses fisik harus dapat dimodelkan dengan persamaan

matematika. Dengan pemodelan diharapkan dapat melakukan :

1. Idealisasi dari proses dan fenomena.

2. Memahami pengaruh dan kendali lingkungan.

3. Menganalisis eksperimen yang sulit atau tidak mungkin dapat dilakukan.

4. Mempertajam pemahaman dan mengurangi pemborosan akibat

eksperimen yang tidak terarah (trial and error).

5. Meningkatkan potensi dan keamanan sistem.

G. Metode Komputasi Dinamika Fluida

Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan pemanfaatan program

komputer untuk membuat suatu prediksi apa yang akan terjadi secara kuantitatif

saat fluida mengalir. Dengan menggunakan CFD prediksi aliran fluida diberbagai

sistem dapat dilakukan dengan biaya yang relatif murah dan waktu yang singkat

dibandingkan dengan metode eksperimen (Nugraha, 2005).

Menurut Tuakia (2008), CFD adalah ilmu yang mempelajari cara

memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya

dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika).

Secara istilah CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan

untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir.

Menurut Zhang (2005), pada dasarnya persamaan-persamaan dalam fluida

dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan parsial (PDE = Partial

31

Differential Equation) yang merepresentasikan hukum-hukum konservasi massa,

momentum, dan energi.

Untuk memprediksi aliran fluida pada kondisi tertentu, program CFD harus

dapat menyelesaikan persamaan yang mengatur aliran-aliran fluida sehingga

pemahaman tentang sifat-sifat dasar aliran fluida sangatlah penting. Persamaan

pengaturan aliran fluida adalah persamaan-persamaan diferensial parsial,

komputer digital tidak dapat langsung digunakan untuk menyelesaikan persamaan

tersebut secara langsung. Oleh karena itu persamaan diferensial ini harus

ditransformasikan kedalam persamaan aljabar yang sederhana dan disebut dengan

metode diskritisasi (Versteeg and Malalasekera, 1995).

Secara umum, proses dalam CFD dibagi kedalam tiga tahapan yaitu

prapemrosesan (pre-processing), pencarian solusi (solving), dan pascapemrosesan

(post-processing) (Purabaya dan Asmara, 2003).

1. Prapemrosesan

Pada tahap prapemrosesan dilakukan pendefinisian masalah dengan

membentuk geometri, dapat berupa geometri dua dimensi maupun tiga

dimensi. Dalam pembentukan geometri ini didefinisikan topologi yang akan

dibangun mulai dari pembentukan titik (point), garis (curve, edge), bidang

(face) atau volume sehingga menjadi model yang diinginkan (Purabaya dan

Asmara, 2003).

Setelah geometri terbentuk dilakukan diskritisasi menjadi sejumlah

grid dimana persamaan atur akan dicari solusinya di masing-masing grid

tersebut. Bila menggunakan diskritisasi grid berstruktur diusahakan sisi

yang membentuk grid tetap tegak lurus atau memliki skewness dengan

toleransi tertentu. Pada grid tak berstruktur diperhatikan perbandingan

antara panjang dan lebar (aspect ratio) bentuk grid (Parwatha, 2003).

Menurut Tuakia (2008), Tahapan ini merupakan langkah pertama

dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Pre-processing

terdiri dari input masalah aliran ke dalam program CFD dengan memakai

interface yang memudahkan operator dan transformasi input berikutnya ke

dalam bentuk yang sesuai dengan pemecahan oleh solver. Hal-hal yang

dilakukan pada tahap ini meliputi:

32

- Mendifinisikan geometri dari daerah yang dianalisis.

- Pembentukan grid.

- Pemilihan fenomena kimia dan fisik yang diperlukan.

- Menentukan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, massa

jenis, panas jenis dan sebagainya).

- Menentukan kondisi batas yang sesuai.

Pemecahan masalah aliran (kecepatan, tekanan, temperatur dan lain-

lain) didefinisikan pada titik (nodal) di dalam tiga sel. Ketepatan CFD

dibentuk oleh sejumlah sel dalam grid. Secara umum semakin besar jumlah

sel, ketelitian hasil pemecahan semakin baik. Mesh optimal tidak selalu

seragam, semakin halus pada bagian yang memiliki variasi cukup besar dan

semakin kasar untuk bagian yang relatif tidak banyak perubahan (Tuakia,

2008).

2. Pencarian Solusi

Setelah geometri masalah didefinisikan secara numerik melalui grid-

grid, tahap selanjutnya adalah pencarian solusi. Pada tahap ini persamaan

atur yang diterapkan untuk memodelkan medan aliran didiskritisasi untuk

masing-masing grid dan dicari solusinya. Persamaan atur yang digunakan

dalam CFD tergantung dari permasalahan yang akan dimodelkan (Purabaya

dan Asmara, 2003).

Proses pencarian solusi menggunakan metode finite volume, dimana

metode ini dikembangkan dari finite difference khusus (Tuakia, 2008).

Algoritma numerik metoda ini terdiri dari beberapa tahap, yaitu:

- Aproksimasi variabel aliran yang tidak diketahui menggunakan

fungsi sederhana

- Diskritisasi dengan mensubtitusi hasil aproksimasi ke dalam

persamaan aliran dan manipulasi matematis berikutnya

- Penyelesaian persamaan aljabar.

3. Pasca-pemrosesan

33

Tahap terakhir dalam proses simulasi dengan menggunakan CFD

adalah pasca-pemrosesan. Pada tahap ini semua solusi dari parameter aliran

yang telah diperoleh untuk setiap grid akan dibentuk visualisasi. Visualisasi

solusi ini bertujuan untuk mempermudah memahami solusi yang dihasilkan

oleh sotfware CFD (Purabaya dan Asmara, 2003).

H. Penelitian Terdahulu yang Terkait

Hargreaves (1997), pernah melakukan penelitian tentang simulasi dispersi

gas polutan yang bersumber dari kendaraan bermotor atau sumber yang bergerak

kontinyu. Dengan menggunakan program CFD simulasi yang dilakukannya

terfokus pada analisis pola aliran gas polutan yang diemisikan oleh kendaraan

bermotor di sekitar jalan raya. Bangunan-bangunan gedung di sekitar jalan raya

merupakan objek yang terkena dampak langsung dari sumber polutan yang

dihasilkan oleh kendaraan bermotor. Sedangkan bangunan tersebut merupakan

tempat yang strategis dimana manusia melakukan aktivitas kesehariannya.

Beberapa perangkat software yang digunakan dalam penelitian tersebut

adalah Fluent yang digunakan untuk menganalisis aliran fluida, software

SCALAR yang digunakan untuk membangun geometri bangunan yang akan

disimulasikan dan software CHENSI yang digunakan untuk menganalisis pola

aliran udara yang berupa olakan atau yang disebut vortices pada dinding-dinding

bangunan di sekitar jalan raya.

Berbeda dengan penelitian ini, simulasi yang dirancang adalah simulasi

dispersi gas polutan yang bersumber dari sebuah cerobong di kawasan

perindustrian. Sedangkan fokus area yang diamati adalah pola aliran dispersi gas

polutan dan sebaran konsentrasi gas polutan dari sumber pencemar terhadap area

permukaan tanah di sekitar kawasan industri dimana umumnya makhluk hidup

berpijak. Software yang digunakan dalam penelitian ini adalah software EFD

(Enginering Fluid Dynamics).

BAB III

METODOLOGI

A. Pendekatan Permasalahan

Simulasi komputer adalah penggunaan model matematika untuk

menggambarkan secara realistik perilaku nyata dari sistem dengan mengukur

tanggap dinamik dari variabel-variabel proses yang dipantau, seperti kecepatan,

temperatur, tekanan, dan komposisi bahan termasuk didalamnya adalah

konsentrasi bahan. Dalam melakukan simulasi, model yang dikembangkan

idealnya harus dapat memberikan tanggap dinamik sesuai dengan yang

sebenarnya (Syamsa, 2003). Maka dari itu, dibutuhkan pemodelan matematis

yang tepat dan intuisi serta pertimbangan-pertimbangan yang matang dalam

melakukan simulasi. Intuisi yang baik dibutuhkan untuk menentukan asumsi

dasar, korelasi antara variabel-variabel kunci serta pendekatan awal sebuah model

simulasi. Sedangkan pertimbangan dibutuhkan untuk menjaga keseimbangan

antara tingkat ketelitian dan kelengkapan terhadap batasan yang tersedia, baik dari

segi biaya maupun kompleksitasnya.

Dalam penelitian ini, model simulasi yang digunakan untuk menentukan

nilai konsentrasi gas polutan di suatu titik tertentu adalah model persamaan

dispersi Gaussian dengan menggunakan program visual basic dan model CFD

yang direpresentasikan oleh software Solidworks Office 2007 dengan

menggunakan metode finite volume. Model Gaussian dipengaruhi oleh parameter

laju emisi gas yang diemisikan dari cerobong, kecepatan udara di sekitar sumber

emisi atau ambien, dan faktor stabilitas atmosfer hingga titik acuan. Sedangkan

model CFD dipengaruhi oleh parameter laju emisi gas yang diemisikan dari

cerobong, kecepatan udara di sekitar sumber emisi atau ambien, sifat karakteristik

kimia dari gas polutan, dan batsan kondisi yang didefinisikan ke dalam software.

Oleh karena itu, parameter tersebut dijadikan sebagai parameter input dalam

simulasi ini. Sedangkan output yang diharapkan adalah visualisasi sebaran

konsentrasi gas polutan berupa bidang 2 dimensi . Visualisasi ini dapat digunakan

untuk menganalisa karakteristik aliran sebaran konsentrasi gas polutan yang

terdispersi.

35

Selain itu juga menggunakan program Visual Basic untuk perhitungan

model dispersi secara manual dari persamaan model Gaussian dalam penentuan

nilai konsentrasi gas polutan. Persamaan Gaussian yang digunakan

dipresentasikan oleh Persamaan (20). Nilai konsentrasi gas polutan yang

dihasilkan dari perhitungan bersifat diskrit.

Program CFD digunakan sebagai support simulator atau tools untuk

mendapatkan visualisasi sebaran gas terdispersi dari hasil perhitungan. Sotfware

yang akan digunakan adalah sotfware Solidworks Office 2007 yang memiliki

kemampuan untuk membuat model geometri, batasan lingkungan simulasi atau

domain, meshing model geometri yang akan disimulasikan, solver atau pencarían

solusi dengan menyediakan fleksibilitas mesh automatis berbentuk tetahedral

yang dapat diatur mudah kerapatan meshnya. Software ini menghitung persamaan

fluida dinamik dengan menggunakan metode finite volume, sehingga dapat

mempresentasikan data dan memvisualisasikan berbagai kasus aplikasi dinamika

fluida secara detail.

Namun, dalam penelitian ini simulasi yang dilakukan adalah untuk

memonitoring fenomena dispersi gas polutan dari cerobong ke atmosfer pada

kondisi unsteady state, dimana monitoring kondisi penyebaran gas polutan yang

akan divisualisasikan adalah pada saat setelah 1 jam (3600 detik) menyebarnya

gas polutan dari cerobong. Dengan kata lain, pada waktu t = 0 itu adalah posisi

dimana gas polutan belum menyebar ke udara atau masih dalam cerobong dan

siap di permukaan lubang cerobong untuk bergerak ke atmosfer.

Dalam proses numerik baik meshing maupun iterasi, persamaan-persamaan

yang digunakan adalah persamaan atur fluida, dimana berawal dari hukum

kekekalan fisika seperti kekekalan massa, transformasi massa dan persamaan atur

kontinuitas fluida. Pemodelan matematis yang digunakan dalam simulasi ini

diperoleh dari persamaan atur fluida yang menyatakan hukum–hukum fisika yang

terdiri dari :

1. Persamaan Kontinuitas 3 Dimensi

Dalam metode finite control volume, perubahan spesies massa pada

fenomena aliran fluida terjadi sejalan dengan adanya pergerakan elemen

36

massa fluida sebagai fungsi waktu ke dalam suatu volume terbatas

(Anderson, 1995). Dituliskan dalam betuk matematis :

tzw

yv

xu

DtD

¶¶

+¶

¶+

¶¶

+¶

¶=

rrrrr )()()( ...................................................(27)

2. Persamaan Momentum 3 Dimensi

Persamaan momentum yang digunakan adalah persamaan Navier-

Stokes yang dikembangkan dalam bentuk metode finite volume (Heinsohn

and Cimbala, 2003):

Arah sumbu x

..(28.a)

Arah sumbu y

(28.b)

Arah sumbu z

(28.c)

3. Persamaan Energi 3 Dimensi

Persamaan energi diturunkan dari hukum pertama termodinamika

yang menyatakan bahwa laju perubahan energi partikel fluida = laju

penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambahkan dengan laju kerja

yang diberikan pada partikel (Anderson, 1995).

............................................................................................(29)

4. Persamaan Spesies Transport Material Fluida

Persamaan spesies transport dapat digunakan untuk memprediksi

fraksi massa masing-masing spesies material yang memiliki karakteristik

Vf

zyxw

zyxv

zyxu

zw

yv

xu

pzT

kzy

Tk

yxT

kx

qV

eDtD

zzyzxzzyyyxyzxyxxx

×+

úû

ùêë

é¶¶

+¶¶

+¶¶

+úû

ùêë

é¶¶

+¶¶

+¶¶

+úû

ùêë

é¶¶

+¶¶

+¶¶

+

úû

ùêë

é¶¶

+¶¶

+¶¶

-÷øö

çèæ

¶¶

¶¶

+÷÷ø

öççè

æ¶¶

¶¶

+÷øö

çèæ

¶¶

¶¶

+=÷÷ø

öççè

æ+

r

ttttttttt

rr2

2

÷÷ø

öççè

æ¶¶

+¶¶

+¶¶

++¶¶

-=÷÷ø

öççè

æ¶¶

+¶¶

+¶¶

+¶¶

2

2

2

2

2

2

zu

yu

xu

gxp

zu

wyu

vxu

utu

x mrr

÷÷ø

öççè

æ¶¶

+¶¶

+¶¶

++¶¶

-=÷÷ø

öççè

æ¶¶

+¶¶

+¶¶

+¶¶

2

2

2

2

2

2

zv

yv

xv

gyp

zv

wyv

vxv

utv

y mrr

÷÷ø

öççè

æ¶¶

+¶¶

+¶¶

++¶¶

-=÷÷ø

öççè

æ¶¶

+¶¶

+¶¶

+¶¶

2

2

2

2

2

2

zw

yw

xw

gzp

zw

wyw

vxw

utw

z mrr

37

kimiawi berbeda dengan pendekatan prinsip difusi-konveksi masing-masing

material (Anonim, 2003).

...................................................(30)

dimana, iY merupakan fraksi massa masing-masing spesies i, iR adalah

nilai net spesies hasil reaksi kimia dan iS adalah nilai net spesies yang

disebarkan ke dalam sistem simulasi yang didefinisikan oleh user. Selain

itu, nilai fluks difusi massa dari masing-masing spesies material dipengaruhi

oleh tipe aliran yang terjadi dalam sistem, yaitu laminar atau turbulen,

dimana secara berturut-turut dituliskan pada Persamaan 31 dan 32.

…………………………………………………………..(31)

………………………………………………….(32)

dimana, miD , adalah difusivitas massa masing-masing spesies material dan

tSc merupakan nilai angka Schmidt.

B. Bahan dan Alat

1) Personal Computer (PC)

PC yang dipergunakan minimal memiliki spesifikasi Pentium 4, RAM

1GB. Hal ini untuk mensupport pengoperasian program sotfware yang akan

digunakan.

2) Sotfware Visual Basic

Sotfware Visual Basic digunakan untuk mengoperasikan perhitungan

analisis kadar gas polutan dengan metoda dispersi.

3) Program Computational Fluid Dynamic (CFD)

Program CFD disupport oleh sotfware EFD (Engineering Fluid

Dynamics), dimana dalam penelitian ini menggunakan sotfware Solidworks

office 2007 yaitu merupakan sotfware engineering yang digunakan untuk

mensimulasikan dan menganalisi berbagai kasus aliran fluida beserta sifat-

sifat fisik dan sifat material fluida yang disimulasikan. Sotfware Solidworks

Office 2007 juga dapat digunakan untuk membangun geometri atau desain

( ) ( ) iiiii SRJYYt

++×-Ñ=×Ñ+¶¶ rvurr

imii YDJ Ñ-= ,rr

it

tmii Y

ScDJ Ñ÷÷

ø

öççè

æ+-=m

r ,

r

38

teknik struktur dari kasus yang akan disimulasikan, sehingga sotfware ini

mempermudah pengguna (user) dalam memecahkan masalah yang akan

dikaji. Karena dalam sotfware ini sudah terintegrasi menjadi satu paket

antara perangkat untuk membangun penggambaran geometri dan perangkat

untuk menganalisa kasus aliran fluida tersebut, sehingga dapat

memvisualisasikan distribusi fluida secara numerik.

Geometri yang akan disimulasikan berbentuk outdoor dan sumber

pencemar diasumsikan tunggal yang berupa cerobong (stack) dari suatu

industri. Prinsip kerja perhitungan yang dilakukan oleh sotfware ini

menggunakan metode finite volume dengan mengintegrasikan persamaan

model Navier-Stokes sebagai dasar perhitungan kasus mekanika fluida yang

akan dianalisis. Pendekatan numerik dengan model Navier-Stokes

merupakan jenis model persamaan mekanika fluida yang dianggap paling

otentik diantara model lainnya. Hasil running dari proses simulasi

direpresentasikan secara otomatis dalam bentuk data dan grafik dengan tipe

file Excel Office, *.JPEG untuk gambar dan tipe file *.avi untuk file jenis

animasi video.

C. Parameter Input

Parameter input untuk simulasi ini adalah :

1) Debit emisi gas polutan

Debit emisi gas polutan sebagai input diperoleh dari cerobong yang

mengemisikan polutan dengan satuan kilogram per detik (kg/s).

2) Kecepatan Angin

Kecepatan angin yang akan diinput berupa aliran seragam dan

diasumsikan pengambilan data kecepatan angin ini dengan metode wind

rose, yaitu berdasarkan arah angin dominan. Besarnya nilai kecepatan angin

ditentukan dengan asumsi dari penulis.

3) Jarak

Jarak (x, y, z) yang dimaksud, merupakan jarak yang diperkirakan dari

sumber emisi (source of emission) sampai titik dimana kadar gas polutan itu

ingin diketahui, dalam aplikasi ini adalah titik posisi receptor dari sumber

emisi. Untuk mendapatkan nilai standar deviasi kepulan emisi terhadap

39

jarak y dan z (σy, σz) maka jarak pada pada koordinat x ditransformasikan

pada Persamaan (24).

4) Sifat-sifat spesifik kimia gas polutan

Gas polutan yang menjadi objek simulasi adalah hydrogen sulfide

(H2S), sulfur dioxide (SO2), dan carbon monoxide (CO). Spesifikasi sifat

kimia dari masing-masing fluida yang diinput ke dalam database software

adalah molecular weight, panas jenis, viskositas dinamik dan konduktivitas

panas. Parameter ini yang akan mempengaruhi karakteristik aliran dispersi

fluida dalam simulasi.

D. Data Input

Data input dalam simulasi ini menggunakan data fiktif sesuai dengan

skenario rancangan penulis, namun untuk data emisi gas polutan yang diinput

diambil dari hasil perhitungan kasus di beberapa industri yang berbeda. Penentuan

data fiktif dilakukan dengan perkiraan terhadap keadaan di beberapa industri.

Beberapa data input fiktif yang akan disimulasikan terdapat pada Tabel 6.

Tabel 6. Data input fiktif.

No. Parameter Satuan Kuantitas 1 Kecepatan angin m/s 2 2 Temperatur lingkungan º C 27 3 Temperatur emisi di cerobong º C 200 4 Tekanan udara Pa 101325 5 Jarak-x m -20 s.d. 300 6 Jarak-y m 0 s.d. 100 7 Jarak-z m -50 s.d. 50 8 Dimensi cerobong tinggi m 20 diameter luar m 4 diameter dalam m 3,8 kemiringan permukaan dinding deg 1

Dimensi struktur cerobong secara detail disajikan pada Lampiran 1.

Sedangkan untuk mendapatkan data input polutan yang akan menjadi inlet pada

proses simulasi dihitung berdasarkan jumlah bahan bakar yang dikonsumsi

dengan menggunakan data faktor emisi dari EPA (Environmental Protection

Agency), sehingga jumlah polutan yang diemisikan ke dalam lingkungan dapat

40

diketahui. Nilai input masing-masing gas polutan dari cerobong dianggap seragam

dan disajikan pada Tabel 7.

Tabel 7. Input aliran gas polutan (mass flow rate) dari cerobong.

No Parameter Satuan Kuantitas 1 Sulfur dioxide (SO2) kg SO2/s 2,5236 2 Hydrogen Sulfide (H2S) kg H2S/s 0,2240 3 Carbon Monoxide (CO) g CO/s 0,6048

Sumber : 1 US-EPA Standard AP-42 Chapter 5, Petroleum Refineries, Emission Faktor for Flaring.

2 Ref. Madura BD Amended Plan Development 3 Data konsumsi bahan bakar PLTU Cilacap 2007. EPA,US.,2006. Source:

http://www.epa.gov/ttn/chief/ap42.htm

Kuantitas emisi gas CO yang terdapat pada Tabel 7, merupakan hasil dari

perhitungan konsumsi bahan bakar batu bara data PLTU Cilacap tahun 2007,

dimana sistem pembakaran PLTU Cilacap mampu mengkonsumsi batu bara

sebanyak 8 ton/jam.

Beberapa sifat kimia dari masing-masing parameter gas polutan

mempengaruhi karakteristik penyebaran gas tersebut di udara atau medium fluida

lainnya. Oleh karena itu, harus ada input data nilai karakteristik dari masing-

masing gas polutan ke dalam database yang telah disediakan fasilitasnya oleh

software simulator. Nilai beberapa sifat kimia pada kondisi standar berskala

laboratorium disajikan pada Tabel 8.

Tabel 8. Nilai spesifik sifat kimia masing-masing senyawa fluida.

No Parameter MW

(g/mol) Cp

(kJ/mol.K) Cv

(kJ/mol.K)

Dynamic viscosity µ (kg/m.s)

Thermal Conductivity k

(W/m.K)*

1 Udara 28,97 0,029 0,02 0,00001789 0,02394

2 Sulfur dioxide (SO2) 64,06 0,039 0,031 0,00001158 0,00858

3 Carbon Monoxide (CO) 28,01 0,029 0,02 0,00001695 0,023027

4 Hydrogen Sulfide (H2S) 34,08 0,034 0,012 0,00001179 0,01298 Sumber : The National Institute of Standards and Technology (NIST) USA. 2008

*) http://encyclopedia.airliquide.com

Nilai densitas dan nilai angka Schmidt dari masing-masing parameter pada

kondisi standar yaitu pada tekanan 1 atm dan pada temperatur normal terdapat

pada Tabel 9. Nilai angka Schmidt diperlukan untuk menghitung nilai koefisien

difusivitas massa dari masing-masing material fluida yang akan disimulasikan.

Koefisien difusivitas massa dari masing-masing material sangat dipengaruhi oleh

nilai viskositas dinamik yang berbanding terbalik dengan kerapatan massa dan

41

angka Schmidt atau nilai viskositas kinematik yang berbanding terbalik dengan

nilai angka Schmidt. Koefisien difusivitas material Di atau koefisien difusivitas

massa dari masing-masing gas polutan dapat ditentukan dari nilai viskositas

kinematik yang berbanding terbalik dengan nilai angka Schmidt Sc sebagaimana

dipresentasikan pada Persamaan (5). Sedangkan karakteristik tekanan gas polutan

dipengaruhi oleh perubahan temperatur terlihat pada grafik yang disajikan pada

Lampiran 2.

Tabel 9. Nilai densitas dan koefisien difusivitas massa masing-masing spesies.

No Parameter Angka

Schmidt Sc *

Koefisien difusivitas massa

Di (m2/s)

Density pada titik didih (kg/m³)**

1 Udara (air) 0,7 7,98661E-06 3.2

2 Sulfur dioxide (SO2) 1,24 3,06288E-06 3.049

3 Carbon Monoxide (CO) 0,77 5,05465E-06 4.355

4 Hydrogen Sulfide (H2S) 0,94 6,49873E-06 1.93 Sumber : *) The CRC Handbook of Mechanical Engineering by Frank Kreith, 1998.

**) The National Institute of Standards and Technology (NIST) USA., 2008.

Nilai koefisien difusivitas massa gas hydrogen sulfide pada Tabel 9 paling

tinggi diantara gas polutan lainnya. Hal tersebut menunjukan bahwa material gas

hydrogen sulfide bersifat sangat reaktif dan mudah menyebar atau dengan kata

lain potensi laju penyebaran material gas hydrogen sulfide terhadap perubahan

konsentrasinya di udara sangat cepat. Sedangkan gas sulfur dioxide potensi laju

penyebaran materialnya paling rendah diantara gas lainnya, oleh karena itu dapat

dikatakan bahwa gas sulfur dioxide kurang reaktif.

Pembuatan geometri dilakukan pada tahap awal dengan pola 3 dimensi (3D)

yaitu dalam bentuk sebuah cerobong yang memiliki dimensi diameter luar

cerobong di titik permukaan tanah sebesar 4 m, sedangkan ketebalan dinding

cerobong sebesar 10 cm. Sudut kemiringan dinding cerobong terhadap titik pusat

silinder (mengerucut) sebesar 1 derajat dan tinggi cerobong adalah 20 m.

Cerobong tersebut dibuat tertancap pada suatu area permukaan tanah dengan

ukuran luas area sebesar 100 x 320 m. Luas area tersebut ditentukan berdasarkan

pertimbangan kapasitas memori dan efisiensi kinerja software yang digunakan,

dimana luasan area yang dibentuk mempengaruhi luasan domain yang akan

dianalisis aliran fluidanya serta kondisi kandungan fluida di dalam domain

tersebut sehingga kecepatan k

domain dan proses iterasi (penghitungan) akan semakin berat. Selain itu,

kerumitan dari geometri yang dibangun juga dapat mempengaruhi kecepatan

kinerja sotfware.

Geometri untuk permukaan tanah dibuat setebal 1

agar batas permukaan tanah terhadap atmosfer dapat didefinisikan sebagai

material padat, sehingga fluida yang dialirkan di atas permukaan tersebut dapat

dikatakan bahwa fluida tersebut mengalir di atas permukaan (

lantai yang padat. Material padatan yang digambar dalam geometri tidak

didefinisikan secara spesifik mengenai jenis bahan struktur benda tersebut, karena

pengaruh dari perbedaan jenis bahan serta karakteristik bahan tersebut terhadap

aliran fluida disekitarnya dianggap tidak begitu nyata atau diabaikan. Bentuk

geometri secara jelas dapat dilihat pada Gambar 8 dan Gambar 9.

Gambar 8. Bentuk geometri cerobong dan area permukaan tanah.

Gambar 9. Dimensi geometri tampak atas dalam satuan me

x

y

z

cerobong

tersebut sehingga kecepatan kerja sotfware dalam melakukan proses



Geometri untuk permukaan tanah dibuat setebal 10 cm. Hal ini diperlukan



dikatakan bahwa fluida tersebut mengalir di atas permukaan (surface) tanah ata




tarnya dianggap tidak begitu nyata atau diabaikan. Bentuk

geometri secara jelas dapat dilihat pada Gambar 8 dan Gambar 9.


Gambar 9. Dimensi geometri tampak atas dalam satuan meter.

x

cerobong

42

dalam melakukan proses meshing



0 cm. Hal ini diperlukan



) tanah atau




tarnya dianggap tidak begitu nyata atau diabaikan. Bentuk


43

E. Tahapan Kegiatan Penelitian

Secara garis besar tahapan penelitian dalam penelitian ini dibagi menjadi 2

tahapan, yaitu tahap pembuatan program perhitungan model dispersi Gaussian dan

tahap pembuatan model dispersi fluida gas polutan dengan menggunakan software

Engineering Fluid Dynamics (EFD). Secara rinci kedua tahapan tersebut dapat

dilihat pada Gambar 10 dan Gambar 11.

Gambar 10. Diagram alir pembuatan program.

Tahap ini merupakan penghitungan model dispersi Gaussian, dimana

variabel fungsi persamaan yang dibangun dipengaruhi oleh perubahan jarak dari

sumber pencemar terhadap titik acuan yang terindikasi atau diperkirakan terkena

dampak dari pencemaran. Dengan sistem kerja looping program VB, variabel

jarak yang berupa titik tersebut dapat dideklarasikan menjadi beberapa titik

sehingga membentuk bidang. Kemudian nilai konsentrasi gas polutan dapat

mulai Parameter input

Goal setting output

Kerangka program

Desain form

Model persamaan program

Membuat Algoritma program

Pengolahan data dan penyajian hasil

selesai

pengecekan

Running error ?

ya

tidak

44

dihitung pada masing-masing titik yang telah dideklarasikan tersebut, sehingga

dapat diketahui nilai sebaran konsentrasi gas polutan pada suatu bidang.

Gambar 11. Diagram alir prosedur simulasi pada EFD

set kondisi umum

Input fluida (jenis & sifat)

set domain, boundary condition dan goals

Proses numerik (solver = run)

Plot kontur, grafik dan data dari goals

Geometri baik ?

Meshing & iterasi error ?

pengecekan

mulai Pembuatan geometri

(part)

Pendefinisian material geometri

Penyusunan struktur geometri (assembly)

Pengecekan geometri (satu objek)

selesai

ya

tidak

ya

tidak

45

Tahap ini merupakan tahap mendefinisikan kasus dinamika fluida ke dalam

komputerisasi sehingga aliran fluida berikut sifat-sifat fisik serta bahan

materialnya dapat dipresentasikan secara visual, baik animasi, grafik kontur

maupun data. Persamaan-persamaan yang dibangun dalam CFD diselesaikan

secara iteratif, baik dalam kondisi tunak (steady state) atau transien (unsteady

state).

F. Asumsi dalam Simulasi CFD

Asumsi yang digunakan dalam simulasi temperatur, kelembaban dan aliran

udara yaitu sebagai berikut:

- Udara bergerak dalam kondisi steady

- Aliran udara dianggap seragam (uniform)

- Udara tidak tertekan (incompresible), p konstan

- Arah angin dalam lingkungan dianggap searah (unidirectional) selama

simulasi berlangsung.

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses simulasi dispersi gas polutan memerlukan input data polutan, data

kondisi atmosfer, data domain (geometri daerah yang disimulasikan), serta data

cerobong (stack) yang dimodifikasi sederhana dengan beberapa perlakuan

dimensinya. Simulasi dilakukan pada suatu industri yang telah melakukan

pengukuran atau pengujian parameter sistem pembakarannya dengan cerobong

tunggal sehingga polutan yang dihasilkan dikeluarkan dari sumber tunggal

kontinyu.

Inlet aliran gas polutan dari cerobong ke dalam sistem simulasi diasumsikan

seragam. Besaran inlet aliran massa gas polutan tersebut dapat diprediksi dari

jenis dan jumlah bahan bakar yang dikonsumsi oleh sistem pembakarannya

dengan menggunakan persamaan faktor emisi US-EPA, yaitu :

Qemisi = FC × EF ..................................................................................... (33)

dimana : Qemisi : laju emisi gas polutan, gram/jam

FC : Jumlah konsumsi bahan bakar, ton/jam atau liter/jam

EF : Faktor emisi, gram/ton atau gram/liter

dengan mensubstitusikan data nilai konsumsi bahan bakar dan faktor emisi,

terhadap Persamaan (33), maka laju gas polutan yang diemisikan cerobong dari

hasil pembakaran dapat dihitung. Contoh kasus untuk nilai emisi gas CO yang

terdapat pada Tabel 7, dimana EPA menetapkan bahwa faktor emisi gas CO

sebesar 0,6 lb/ton, maka :

Qkarbon monoksida = 8 ton/jam × 0,6 lb/ton

= 4,8 lb/jam

karena 1 lb = 453,6 gram, maka Qcarbon monoxide dari pembakaran batu bara adalah

sebesar 2,17728 kg/jam atau 0,6048 gram/detik. Hasil dari perhitungan emission

rate gas CO sangat kecil jika dibandingkan dengan gas polutan lainnya. Namun,

disisi lain CO merupakan gas yang memiliki sifat sangat toksik terhadap

kelangsungan hidup organisme di sekelilingnya.

47

A. Kecepatan Angin (wind speed)

Angin merupakan bentuk parsel udara yang bergerak di atmosfer yang

disebabkan oleh perbedaan dan ketidakseimbangan tekanan udara, dimana udara

selalu bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Kecepatan angin yang

terjadi berbanding lurus dengan semakin tingginya gradien tekanan udara, dimana

perbedaan gradien tekanan udara dapat dipengaruhi oleh posisi ketinggian atau

arah vertikal dari permukaan bumi. Selain itu, temperatur, kelembaban dan

momentum udara yang tidak seimbang juga dapat memicu parsel udara di

atmosfer bergerak.

Perbedaan karakteristik tipe aliran udara atau kecepatan angin dapat dilihat

dengan mensubstitusikan aturan nilai kondisi stabilitas atmosfer yang ditetapkan

US-EPA pada Tabel 5, terhadap Persamaan (25). Lembaga US-EPA

mengklasifikasikan kondisi stabilitas atmosfer menjadi kondisi di pedesaan dan

kota. Masing-masing pedesaaan dan kota memiliki jumlah tipe angin yang sama

yaitu dari A sampai F. Dengan mengasumsikan bahwa kecepatan angin pada

ketinggian elevasi 20 meter adalah sebesar 5 m/det, maka grafik sebaran

kecepatan angin di atas permukaan bumi dapat terlihat jelas seperti pada Gambar

12.

Gambar 12. Koreksi kecepatan angin terhadap ketinggian elevasi.

0

20

40

60

80

100

120

140

0.00 5.00 10.00 15.00ketin

ggia

n el

evas

i (m

)

kecepatan angin (m/s)

A/B kota = D desa A/B desaC kota C desaD kota E/F kotaE desa F desa

48

Profil kecepatan angin pada Gambar 12 menunjukan bahwa tipe angin A di

kota sama dengan tipe angin B di kota sama juga dengan karakteristik tipe angin

D di desa. Sedangkan tipe angin A di desa memiliki karakteristik sama dengan

tipe angin B di desa. Kesamaan lain pun terjadi pada profil tipe angin E di kota

dengan profil tipe angin F di kota. Adanya kesamaan profil sebaran kecepatan

angin pada beberapa tipe angin di atas dapat mengindikasikan bahwa yang

mempengaruhi karakteristik sebaran udara di atmosfer atau stabilitas atmosfer

tidak mutlak hanya faktor regional saja, namun keseragaman sebaran gas udara

atau kondisi atmosfer dapat dilihat melalui pendekatan Persamaan Sutton ini. Oleh

karena itu, dari Gambar 8 tampak bahwa karakteristik angin yang paling seragam

dimiliki oleh kecepatan angin pada kelas stabilitas A dan B di pedesaan.

Keseragaman kecepatan angin dan arah angin digunakan untuk melakukan

simulasi transport gas polutan dengan model Gaussian. Karena menurut teori yang

diungkapkan olehnya dimana asumsi udara yang masuk atau inlet kecepatan udara

adalah dianggap seragam, sehingga bentuk sebaran inlet kecepatan angin yang

paling mendekati pola seragam adalah tipe stabilitas kelas A dan B.

B. Model Gaussian

Model Gaussian digunakan untuk menghitung nilai konsentrasi suatu gas

polutan yang tersebar di setiap titik koordinat (x, y, z) yang dipengaruhi oleh

adanya proses transport dan difusi udara yang bergerak berdasarkan pada fungsi

dari jarak. Berbicara tentang dispersi gas yang diungkapkan oleh Gaussian tidak

terlepas dari ilustrasi model Gaussian sebagaimana dijelaskan oleh Gambar 6.

Dalam model tersebut arah angin selalu searah dengan sumbu x (downwind) dan

tegak lurus terhadap sumbu y atau dikenal dengan crosswind, sedangkan

ketinggian atau elevasi ditunjukan oleh sumbu z. Titik pusat atau centerpoint

koordinat selalu terletak pada titik pusat lingkaran silinder cerobong di permukaan

tanah.

Dalam simulasi ini perhitungan dispersi polutan tersebut dilakukan dengan

menggunakan program Visual Basic (VB). Perhitungan ini merupakan pemetaan

titik-titik yang ingin diketahui nilai konsentrasi sebaran gas polutannya. Nilai

jarak yang diinput merupakan nilai maksimal dari variabel jarak yang dihitung.

Karena proses perhitungan ini menggunakan sistem looping dimana nilai sebaran

49

konsentrasi dihitung pada setiap step jarak yang diinput, sehingga didapatkan data

nilai sebaran konsentrasi polutan sejauh jarak x dengan jarak y yang membentuk

sebuah luasan bidang (x, y). Input nilai jarak x akan menentukan nilai konstanta

dispersi axial (σy) terhadap arah crosswind dan konstanta dispersi vertikal (σz)

terhadap elevasi. Hasil akhir dari program VB ini hanya berupa data sebaran nilai

konsentrasi polutan pada sebuah luasan bidang x, y di suatu ketinggian elevasi z.

Untuk mendapatkan data sebaran polutan di permukaan tanah (ground level),

maka input elevasi z = 0. Secara detail bentuk form sederhana dari sistem

penghitung dispersi gas polutan yang dibangun dengan program VB diperlihatkan

oleh Gambar 13.

Gambar 13. Form penghitungan sebaran konsentrasi setiap titik (x, y, z).

50

Parameter input pada form yang ditunjukan oleh Gambar 13 dituliskan ke

dalam textbox yang terdiri dari :

1. laju emisi gas polutan dengan satuan (gram/detik)

2. kecepatan angin atau windspeed dengan satuan meter per detik (m/s).

3. tipe angin dengan opsi pilihan dari tipe A sampai tipe F

4. ketinggian cerobong dengan satuan meter

5. jarak maksimum x dengan satuan meter

6. jarak maksimum y dengan satuan meter

7. jarak elevasi z atau ketinggian bidang yang ingin diketahui dengan

satuan meter

8. step jarak merupakan interval antar titik-titik yang ingin diketahui nilai

konsentrasinya pada bidang x dan y.

Ketika semua nilai variabel input sudah dimasukkan ke dalam textbox yang

sesuai dengan nama variabel disampingnya, maka jika tombol proses diklik

artinya proses penghitungan dilakukan. Kemudian akan muncul nilai data hasil

penghitungan pada listbox yang terdiri dari : titik (x, y, z), koefisien crosswind

atau horizontal, koefisien vertikal, dan nilai konsentrasi gas polutan disetiap titik

(x, y, z) dengan satuan µg/m3.

Data nilai input variabel yang dimasukkan ke dalam proses penghitungan

berdasarkan pada data nilai yang terdapat pada Tabel 6 dan Tabel 7. Tipe angin

yang dipilih sebaiknya adalah tipe angin yang seragam, sebagaimana dilakukan

dalam pendekatan teori Gaussian. Karena itu, pertimbangan ini sebaiknya

mengacu pada proyeksi tipe sebaran angin yang terdapat pada Gambar 12.

Algoritma program VB yang dibangun terdapat pada Lampiran 3.

Input pada program ini dapat dimodifikasi sesuai dengan perlakuan

perubahan variabel yang diinginkan untuk mengetahui sejauh mana pengaruh dari

perubahan variabel tersebut terhadap pola sebarannya. Dengan input data polutan

yang sama atau kontinyu tunggal tetap, ingin diketahui pengaruh perubahan

kecepatan angin dan ketinggian cerobong terhadap pola sebaran polutan yang

diemisikan oleh suatu cerobong industri. Dari hasil running program VB di atas,

diperoleh nilai sebaran polutan terhadap fungsi jarak sebagaimana terlihat pada

Gambar 14.

Gambar 14. Grafik sebaran konsentrasi gas polutan sepanjang b). H2S, dan c). CO, pada bidang permukaan tanah.

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

10

kons

entr

asi (

µg/m

³)

0

20

40

60

80

100

120

140

10

kons

entr

asi (

µg/

m³)


(14.a)

(14.b)

(14.c)

Gambar 14. Grafik sebaran konsentrasi gas polutan sepanjang centerline S, dan c). CO, pada bidang permukaan tanah.

10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290

jarak x (m)

CO

10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290

jarak x (m)

SO2

51


a). SO2,

52

Pada Gambar 14, pola sebaran konsentrasi gas SO2, H2S, dan CO berbentuk

eksponensial yang menunjukan terjadinya penurunan kadar konsentrasi di

permukaan tanah secara signifikan terhadap jarak pada sumbu x. Penurunan

konsentrasi polutan terjadi secara signifikan pada jarak awal dari titik sumber

emisi serta tidak terjadi peningkatan konsentrasi di sepanjang centerline. Hal ini

terjadi karena nilai kecepatan angin dan ketinggian stack yang diinput adalah

sama, yaitu kecepatan angin sebesar 2 m/s sedangkan ketinggian stack sama-sama

sebesar 20 m. Data nilai konsentrasi masing-masing parameter sepanjang

centerline yang sesuai dengan profil grafik di atas terdapat pada Lampiran 4.

Sementara itu, jika profil sebaran konsentrasi gas polutan dilihat dari

sepanjang garis ordinat y atau crosswind, dapat dilihat pada Gambar 15.

(15.a)

(15.b)

115.51

115.53

115.55

115.57

115.59

115.61

115.63

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

kons

entr

asi (

µg/

m³)

jarak y (m)

SO2

10.253

10.255

10.257

10.259

10.261

10.263

10.265

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

kons

entr

asi (

µg/

m³)

jarak y (m)

H2S

53

(15.c)

Gambar 15. Profil sebaran gas polutan sepanjang crosswind pada jarak x 10 m, a).SO2, b).H2S, dan c).CO

Pada Gambar 15, terlihat bahwa konsentrasi sebaran gas polutan di

sepanjang sumbu y memiliki pola atau bentuk kuadratik, dimana titik puncak nilai

konsentrasi gas polutan terdapat pada titik nol garis sumbu y atau pada centerline

arah sumbu x.

C. Model EFD

1. Kondisi Awal Udara Ambien

Kondisi awal udara ambien dalam siimulasi diasumsikan tidak

terdapat kontaminan. Jadi, jika fluida yang terdapat dalam udara ambien

dianggap udara bersih dan murni, maka menurut NIST (National Institute of

Standards and Technology) United State, memiliki nilai densitas sebesar 3,2

kg/m3 pada tekanan 101,325 kPa titik didih. Oleh karena itu, dalam software

Solidworks Office 2007 konsentrasi udara murni pada kondisi awal dengan

satuan ppm (part per millions) dituliskan 106 ppm dan gas kontaminannya 0

ppm. Kondisi udara tersebut bergerak seragam searah sumbu x dengan

kecepatan tetap 2 m/s, sedangkan kecepatan pada arah sumbu y dan sumbu z

dianggap nol. Udara mengalir dalam keadaan seragam di atas permukaan

tanah dan membentur cerobong yang memiliki diameter 4 m dan tinggi 20

m. Hal ini yang mengakibatkan terjadi perubahan pola aliran di dalam

sistem simulasi yang dibangun, mulai dari parameter kecepatan udara,

tekanan dinamik dan turbulensi.

0.02768

0.027685

0.02769

0.027695

0.0277

0.027705

0.02771

0.027715

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

kons

entr

asi (

µg/

m³)

jarak y (m)

CO

2. Pendefinisian Domain

Domain dapat didefinisikan sebagai batasan ruang gerak fluida dan

dihitung dalam simulasi sehingga dapat dianalisa berbagai sifat fisik dan

material dari fluida yang disimulas

320 m x 100 m x 100 m, dimana titik acuan dari dimensi domain tersebut

adalah titik nol pada koordinat (

simulasi dengan model Gaussian yaitu terdapat pada titik pusat

silinder di permukaan tanah. Bangunan solid geometri juga berada dalam

kolom domain. Hal ini dilakukan agar simulasi pergerakan fluida yang akan

direpresentasikan dapat didefinisikan sebagai fluida yang mengalir di atas

permukaan solid.

Besarnya ukuran domain sangat berpengaruh terhadap besarnya

jumlah grid atau mesh. Sehingga kapasitas memori komputer yang

digunakan juga akan berbanding lurus terhadap jumlah grid pada domain

yang telah dibuat. Grid yang akan dibangun dalam domain berbentuk

tetrahedral dan secara otomatis

masing-masing grid, dimana semakin mendekati dinding solid maka grid

yang terbentuk akan semakin halus seperti tampak pada Gambar 16.

Gambar 16. Ilustrasi grid hasil

Pendefinisian Domain



material dari fluida yang disimulasikan. Ukuran domain yang dibuat sebesar


adalah titik nol pada koordinat (x, y, z). Titik koordinat (0, 0, 0) sama seperti

simulasi dengan model Gaussian yaitu terdapat pada titik pusat lingkaran




ukuran domain sangat berpengaruh terhadap besarnya




edral dan secara otomatis software akan menyesuaikan dimensi

masing grid, dimana semakin mendekati dinding solid maka grid


Gambar 16. Ilustrasi grid hasil meshing domain dari geometri cerobong.

54



ikan. Ukuran domain yang dibuat sebesar


). Titik koordinat (0, 0, 0) sama seperti

lingkaran




ukuran domain sangat berpengaruh terhadap besarnya




akan menyesuaikan dimensi

masing grid, dimana semakin mendekati dinding solid maka grid


i cerobong.

55

Secara prinsip, pada wilayah yang dekat dengan dinding solid fluida

yang mengalir akan membentuk suatu lapisan yang disebut boundary layer

akibat dari adanya tumbukan dan tegangan geser pada dinding. Perubahan

parameter fisik fluida pada wilayah boundary layer terjadi secara fluktuatif.

Oleh karena itu dibutuhkan media untuk menangkap peristiwa perubahan

yang terjadi pada setiap parsel fluida yang bergerak agar dapat dianalisa.

Semakin halus grid yang terbentuk maka kualitasnya akan semakin bagus.

3. Tahap Penentuan Kondisi Batas

Penentuan kondisi batas (boundary condition), dapat diartikan sebagai

tahap input skenario aliran fluida gas polutan ke dalam sistem geometri dan

domain. Arah aliran, kecepatan aliran, jumlah fluida yang diinput, posisi

input, posisi output, temperatur dan tekanan merupakan parameter yang

harus didefinisikan secara detail agar simulator dapat menghitung dengan

baik proses dinamika fluida yang terjadi. Secara detail pendefinisian kondisi

batas atau dikenal dengan initial condition diilustrasikan pada Gambar 17.

Gambar 17. Ilustrasi pendefinisian kondisi batas

Pada Gambar 17, bidang ADEH didefinisikan sebagai input kecepatan

udara yang menerpa cerobong secara seragam atau disebut sebagai velocity

inlet. Arah kecepatan udara secara seragam tersebut searah dengan sumbu x.

Bidang yang didefinisikan sebagai output adalah bidang BCGF, sedangkan

A B

C

F E

D

G H

i

x

z

y

56

bidang ABCD, DCGH, dan EFGH didefinisikan sebagai bidang simetry

yang berarti bahwa kondisi udara di luar bidang domain dengan kondisi

udara di dalam bidang domain dianggap sama. Bidang ABFE sebagai

permukaan tanah dan dinding cerobong didefinisikan sebagai dinding

padatan (wall). Sedangkan permukaan cerobong yang diilustrasikan oleh

poin i merupakan inlet aliran gas polutan ke dalam sistem atau dikenal

dengan mass flow inlet.

Fluida gas polutan yang diinput dari cerobong hanya satu jenis polutan

dengan konsentrasi 100 % atau 106 ppm. Artinya bahwa polutan yang

menjadi bahan kontaminan pada udara ambien hanya satu jenis dan

dilakukan satu per satu dari bahan kontaminan yang akan dianalisa. Hal ini

dilakukan untuk memudahkan proses pendefinisian dan analisa fluida serta

menganggap bahwa gas polutan tidak mengalami reduksi akibat faktor

reaksi kimia dengan senyawa lain selama proses simulasi. Temperatur gas

yang diemisikan dari cerobong sebesar 200 oC sedangkan debit massa aliran

gas polutan dari cerobong besarnya sesuai dengan Tabel 7 dan alirannya

seragam.

4. Analisis Aliran

Pola aliran suatu fluida sangat tergantung pada nilai parameter yang

disebut Angka Reynolds (Reynolds number), dimana besarnya nilai Re

didefinisikan pada Persamaan 1.

berdasarkan input kecepatan udara, nilai viskositas dinamik, dan jarak x

yang didefinisikan pada domain, dimana L = x, dengan nilai standar densitas

udara dari NIST U.S adalah sebesar 3,2 kg/m3, dan aliran udara yang

mengalir ke dalam sistem simulasi tersebut dianggap seragam atau dalam

kondisi steady state, maka nilai angka Reynolds yang terjadi pada aliran

udara dalam domain sistem dapat dihitung yaitu :

= 1,07 x 108

mrUL

L =Re

÷ø

öçè

æ´

´´= - 510789,1

30022,3Re L

57

dengan Re > 5 x 105, maka sudah dapat dipastikan bahwa aliran udara yang

terjadi adalah aliran turbulen eksternal.

Dari hasil simulasi, fenomena turbulensi atau pola aliran pada

permukaan dapat terlihat dari vektor kecepatan fluida di wilayah permukaan

silinder yang divisualisasikan oleh software EFD seperti pada Gambar 18.

Gambar 18. Kontur dan vektor aliran kecepatan udara dengan melewati silinder cerobong tampak atas.

Gambar 18 menunjukan bahwa terjadi perubahan kecepatan udara

secara fluktuatif ketika aliran udara itu melewati silinder cerobong.

Besarnya nilai kecepatan udara ditunjukan oleh gradasi level warna pada

gambar kontur tersebut. Warna merah menunjukan nilai kecepatan yang

tinggi sedangkan warna biru menunjukan nilai kecepatan yang minimum.

Pada titik tengah atau centerline dari silinder terjadi stagnasi aliran udara,

sehingga nilai kecepatan aliran udara pada titik tersebut rendah. Sedangkan

peningkatan kecepatan udara terjadi pada permukaan silinder sebelah

samping dimana pada wilayah tersebut merupakan tempat fluida

bersinggungan dengan permukaan silinder. Pada titik itu juga terjadi

peristiwa pembentukan lapisan geser yang dipengaruhi oleh faktor tegangan

geser, dan disini pula tumbuhnya potensi terbentuknya vortex dalam aliran

yang disebut dengan vorticity. Kemudian aliran tersebut akan terpisah

sejalan dengan titik tumbuh meningkatnya gaya gesek (friction) pada

permukaan silinder. Grafik nilai sebaran kecepatan udara dan tekanan

dinamik aliran udara di sekitar permukaan silinder ditunjukan oleh Gambar

19, dimana data tersebut diambil dengan garis plot setengah lingkaran tepat

58

pada posisi 1 cm dari permukaan silinder membentuk simetris terhadap arah

aliran udara.

( 19.a )

( 19.b )

Gambar 19. Sebaran kecepatan udara dan tekanan dinamik aliran udara di sekitar permukaan silinder.

Dari Gambar 19, terlihat jelas bahwa hubungan kecepatan udara

berbanding lurus dengan tekanan dinamik udara di sekitar permukaan

silinder, yaitu sama-sama mengalami peningkatan pada titik dimana

terbentuknya lapisan geser dan meningkatnya gaya gesek fluida terhadap

permukaan solid benda. Sebaran tegangan geser dan koefisien gesek pada

permukaan silinder dipresentasikan oleh grafik yang terdapat pada Gambar

20 dan data Gambar 19 dan 20 disajikan pada Lampiran 5.

-0.5

0.5

1.5

2.5

3.5

0 2 4 6 8

Vel

ocit

y (m

/s)

Length (m)

kece…

-1

1

3

5

0 2 4 6 8Dyn

amic

Pre

ssur

e (P

a)

Length (m)

tekanan …

59

(20.a)

(20.b)

Gambar 20. Sebaran tegangan geser dan koefisien gesek di sepanjang permukaan silinder.

Jika dilihat dari parameter kecepatan udara, maka kecepatan

maksimum aliran fluida yang terjadi pada permukaan silinder terdapat pada

titik singgung arah aliran terhadap permukaan silinder. Pada posisi tersebut

terjadi perubahan tekanan secara signifikan karena pada wilayah bagian

belakang permukaan silinder deformasi tekanan udara terhadap dinding

silinder sangat rendah sehingga udara yang terdapat pada wilayah tersebut

juga bertekanan rendah. Karena sifat udara lebih cenderung bergerak dari

-0.002

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0 1 2 3 4 5 6 7

Shea

r St

ress

(P

a)

Length (m)

tegangan geser

-0.005

0.005

0.015

0.025

0.035

0 1 2 3 4 5 6 7

Fri

ctio

n C

oeff

icie

nt (

)

Length (m)

koefisien …

60

tekanan tinggi menuju tekanan rendah, oleh karena itu udara udara yang

berada pada titik singgung permukaan silinder akan cepat bergerak mengisi

ruang parsel udara di belakang cerobong silinder. Namun, pergerakan udara

tersebut akan terhalang sejalan dengan terbentuknya vortex. Sedangkan pada

bagian depan permukaan dinding silinder tepat pada titik simetris, terjadi

stagnasi kecepatan udara dan nilai deformasi tekanan maksimum. Nilai

tekanan pada permukaan silinder dipresentasikan dalam Persamaan 10.

Sebaran densitas ρ dari titik pusat silinder hingga ujung domain pada bidang

pemukaan tanah (centerline) dapat dilihat pada Gambar 21.

Gambar 21. Grafik sebaran densitas disepanjang centerline..

Permukaan luar dinding silinder terletak pada jarak 2 meter dari titik

nol, oleh karena itu nilai densitas fluida yang berada di sekitar permukaan

cerobong dapat dilihat dari grafik yaitu sekitar 1,1758 kg/m3. Sedangkan,

untuk nilai kecepatan udara rata-rata dan tekanan udara lingkungan

ditentukan dari hasil iterasi yang konvergen seperti terlihat pada Gambar 22

dengan keterangan data terdapat pada Lampiran 6.

1.175

1.176

1.177

1.178

1.179

1.18

1.181

1.182

1.183

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Den

sity

(kg/

m^

3)

Length (m)

( )qr 220 sin41

21

-+= Upp s

61

Gambar 22. Grafik tekanan dan kecepatan udara hasil iterasi.

Proses iterasi mencapai nilai yang konvergen pada iterasi ke 119.

Nilai tekanan udara rata-rata po menurut hasil iterasi simulator adalah

sebesar 2,17502263 Pa, sedangkan nilai kecepatan rata-rata udara U adalah

sebesar 1,850696735 m/s. Maka dari itu, tekanan yang terjadi pada

permukaan silinder cerobong selama simulasi dapat dihitung. Tekanan yang

terjadi pada sudut kemiringan θ, dimana jika sudut kemiringan tersebut

adalah sebesar 120o, adalah :

= -1,8521846 Pa.

Iterations

Iterations

( )120sin1850696735,11758,121

17502263,2 22 -´´+=sp

62

Tanda negatif pada nilai tekanan hasil perhitungan di atas menunjukan

bahwa arah tekanan berlawanan arah terhadap arus aliran fluida.

Kontur kecepatan aliran udara dengan tampak samping dapat dilihat

pada Gambar 23.

Gambar 23. Kontur kecepatan tampak samping.

Input kecepatan udara ambien adalah sebesar 2 m/s, namun pada

Gambar 23 terlihat bahwa terjadi peningkatan kecepatan di atas cerobong

tempat keluarnya polutan. Peningkatan kecepatan tersebut disebabkan oleh

perbedaan temperatur, dimana temperatur fluida gas polutan pada saat

keluar dari cerobong dikondisikan sebesar 200 oC. Sementara itu kondisi

temperatur di ambien hanya sebesar 27 oC. Perbedaan inilah yang memicu

pergerakan fluida, karena sifat gas akan sangat reaktif ketika dalam kondisi

temperatur tinggi, sehingga fluida yang bertemperatur rendah akan bergerak

mengisi ruang parsel udara yang reaktif tadi sampai pada kondisi setimbang.

Sumber panas yang masuk ke dalam sistem berasal dari gas polutan

yang diemisikan dari cerobong. Panas yang terbawa oleh material polutan

menyebar di udara sejalan dengan proses dispersinya, dimana penyebaran

material tersebut dipengaruhi oleh faktor eksternal dan faktor internal.

Faktor eksternal adalah kecepatan udara yang menerpa material polutan

yang diemisikan, dimana dengan kecepatan udara tersebut partikel material

polutan akan terbawa oleh hembusan parsel udara yang diketahui

kecepatannya. Di sisi lain faktor internal dalam material juga mempengaruhi

potensi terjadinya dispersi gas polutan, diantaranya adalah nilai viskositas

kinematis dan difusivitas panas. Viskositas kinematik merupakan nilai

satuan viskos dinamika per kerapatan material. Semakin besar nilai

viskositas kinematik suatu material, maka potensi penyebaran material

63

tersebut juga akan semakin besar. Karena ia memiliki kerapatan material

yang kecil sehingga sifat material tersebut akan semakin reaktif.

Sifat beberapa material fluida yang disimulasikan dapat diprediksi

melalui nilai kimiawi material itu sendiri. Jika nilai densitas material

diketahui, maka nilai viskositas kinematik dan difusifitas panas dari

parameter Tabel 8 dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 3 dan 4.

Nilai densitas yang diketahui diukur pada kondisi standar yaitu pada

tekanan 1 atm dan pada temperatur titik didih.

Maka viskositas kinematik untuk parameter hydrogen sulfide H2S

dihitung dengan nilai viskositas dinamik dibagi satuan densitas, yaitu :

Sedangkan nilai difusivitas panas hydrogen sulfide H2S adalah :

Sehingga, dengan rumus perhitungan yang sama, nilai viskositas

kinematik dan difusivitas panas untuk masing-masing parameter dapat

disajikan pada Tabel 10.

Tabel 10. Nilai viskositas kinematik dan difusivitas panas udara dan gas polutan.

No Parameter viskositas kinematik

(m2/s) difusivitas panas

(m2/s)

1 Udara 5,59063E-06 0,257974138

2 Sulfur dioxide (SO2) 3,79797E-06 0,072154805

3 Carbon Monoxide (CO) 3,89208E-06 0,182327091

4 Hydrogen Sulfide (H2S) 6,10881E-06 0,197805547

Tabel 10 menunjukan bahwa nilai viskositas kinematik yang dimiliki

oleh gas hydrogen sulfide adalah paling besar diantara parameter fluida

m 2 / s

m 2 / s

rm

=v

93,110179,1 5-´

=

610109,6 -´=

pCk.r

a =

034,093,1

01298,0

´=

1978,0=

lainnya. Hal ini berarti bahwa gas

paling reaktif diantara gas l

gas yang paling kurang reaktif diantara yang lainnya, dengan kata lain gas

ini memiliki ikatan molekul yang lebih kuat.

Nilai difusivitas panas berbanding lurus terhadap nilai konduktivitas

panas material. Semakin besar nilai difusivitas panas suatu material maka

semakin cepat kemampuan material tersebut menyebarkan panas ke

lingkungan sekitarnya sehingga semakin cepat juga material itu melepaskan

panas yang ada dalam partikel material tersebut. Dari Tabel 10,

bahwa nilai difusivitas panas yang dimiliki oleh gas

rendah. Hal ini menunjukan bahwa konduktifitas panasnya sangat kecil atau

nilai panas jenis pada tekanan konstan dari gas

Maka dari itu, dapat dikatakan bahwa gas

simpan panas yang cukup tinggi.

Penjelasan kasus fluida bergerak dapat didekati dengan konsep

Lagrangian, dimana analisis ini melibatkan pergerakan unsur terkecil dari

fluida tersebut. Jika unsur te

sebagai partikel, maka identifikasi sifat fisik fluida dapat ditelusuri dari

perubahan partikel fluida sebagai fungsi dari waktu. Konsep inilah yang

kemudian disebut dengan konsep

partikel fluida dalam suatu aliran bebas dideskripsikan oleh Okishii

(2006) pada Gambar 24.

Gambar 24. Ilustrasi gerakan partikel terhadap satuan waktu kecepatan

lainnya. Hal ini berarti bahwa gas hydrogen sulfide merupakan gas yang

paling reaktif diantara gas lainnya. Sedangkan gas sulfur dioxide merupakan


ini memiliki ikatan molekul yang lebih kuat.


akin besar nilai difusivitas panas suatu material maka



panas yang ada dalam partikel material tersebut. Dari Tabel 10, dapat dilihat

bahwa nilai difusivitas panas yang dimiliki oleh gas sulfur dioxide


nilai panas jenis pada tekanan konstan dari gas sulfur dioxide bernilai tinggi.

, dapat dikatakan bahwa gas sulfur dioxide memiliki daya

simpan panas yang cukup tinggi.



fluida tersebut. Jika unsur terkecil dari fluida yang bergerak didefinisikan



kemudian disebut dengan konsep material derivative. Ilustrasi pergerakan

partikel fluida dalam suatu aliran bebas dideskripsikan oleh Okishii

(2006) pada Gambar 24.

Gambar 24. Ilustrasi gerakan partikel terhadap satuan waktu kecepatan (Okiishi et al., 2006).

64

merupakan gas yang

merupakan



akin besar nilai difusivitas panas suatu material maka



dapat dilihat

sulfur dioxide sangat


bernilai tinggi.

memiliki daya



rkecil dari fluida yang bergerak didefinisikan



i pergerakan

partikel fluida dalam suatu aliran bebas dideskripsikan oleh Okishii et al.

Gambar 24. Ilustrasi gerakan partikel terhadap satuan waktu kecepatan

65

Partikel fluida bergerak sepanjang garis edar sebagaimana ditunjukkan

oleh Gambar 24, dengan jarak r terhadap titik acuan nol. Partikel A yang

bergerak dengan kecepatan VA merupakan fungsi dari jarak posisi dan

waktu. Sehingga hal ini dapat dinotasikan sebagai fungsi Persamaan (34).

………………..………(34)

Dimana xA = xA (t), yA = yA (t), dan zA = zA (t), merupakan lokasi gerak

partikel. Dengan mendefinisikan bahwa percepatan merupakan perubahan

kecepatan pergerakan partikel fluida terhadap waktu maka kecepatan dapat

dikatakan fungsi dari posisi pergerakan fluida terhadap waktu pergerakan

fluida. Maka percepatan pergerakan partikel A dengan aturan rantai

diferensial dapat dinotasikan menjadi Persamaan (35).

…………….(35)

Derivatif material pada setiap variabel dapat berubah sesuai dengan

perubahan waktu. Sebagai contoh untuk menentukan nilai temperatur pada

suatu aliran, perubahan waktu dapat mengubah temperatur partikel fluida

tersebut selama partikel tersebut bergerak melalui bidang temperatur yang

disebut temperatur field dimana T = T (x, y, z, t).. Jika parameter kecepatan

diketahui, maka dengan menerapkan persamaan atur berantai nilai

perubahan temperatur dapat dinotasikan dengan Persamaan (36).

……………….(36)

Jika dalam simulasi ini temperatur dari gas polutan yang diemisikan

didefinisikan sebagai partikel dan membentuk bidang temperatur di

permukaan inlet cerobong, maka perubahan temperatur selama fluida itu

bergerak dapat dikatakan sebagai fungsi waktu. Inlet gas polutan dari

cerobong dianggap seragam dan waktu simulasi pada general setting

didefinisikan oleh default software selama 3600 detik. Oleh karena itu, nilai

temperatur dari pergerakan fluida selama rentang waktu simulasi tersebut

dapat dipresentasikan dalam bentuk kontur warna dengan tampak atas dan

samping seperti pada Gambar 25.

( ) ( ) ( ) ( )[ ]ttztytxVtrVV AAAAAAA ,,,, ==

dtdz

zV

dtdy

yV

dtdx

xV

tV

dtdV

ta AAAAAAAAA ¶

¶+

¶¶

+¶¶

+¶¶

==)(

dtdz

zT

dtdy

yT

dtdx

xT

tT

dtdT AAAAAAAA

¶¶

+¶¶

+¶¶

+¶¶

=

(25.a). Sebaran temperatur SO

(25.b). Sebaran temperatur SO

(25.c). Sebaran temperatur H

(25.d). Sebaran temperatur

Gambar 25. Sebaran temperatur berbagai gas polutan.

cerobong

cerobong

cerobong

cerobong

.a). Sebaran temperatur SO2 tampak samping pada centerface.

.b). Sebaran temperatur SO2 tampak atas pada ground level.

(25.c). Sebaran temperatur H2S tampak samping pada bidang centerface

(25.d). Sebaran temperatur CO tampak samping pada bidang centerface

Gambar 25. Sebaran temperatur berbagai gas polutan.

cerobong

cerobong

cerobong

cerobong

66

.

centerface .

centerface.

Pola penyebaran yang terbentuk dari masing

terlihat pada Gambar 25.a, 25.c, dan 25.d berbeda satu sama lainnya.

Perbedaan pola penyebaran

khusus adalah berasal dari faktor internal sifat kimiawi gas polutan itu

sendiri, seperti berat molekul, nilai viskositas kinematik, nilai difusivitas

panas dan densitasnya.

Sebaran konsentrasi gas polutan ya

masing-masing memiliki pola sebaran berbeda sesuai dengan karakteristik

sifat material fluida gas polutan itu sendiri. Karena faktor kecepatan udara,

nilai temperatur fluida dan gravitasi bumi yaitu sebesar 9,81 m/s

didefinisikan dalam simulasi satu dengan lainnya adalah sama. Bentuk

sebaran konsentrasi gas polutan secara rinci dapat dilihat pada Gambar 2

(26.a). Tampak samping sepanjang bidang

(26.b). Tampak samping sepanjang jarak 10 meter dari

Pola penyebaran yang terbentuk dari masing-masing gas polutan yang


Perbedaan pola penyebaran ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, secara



panas dan densitasnya.

Sebaran konsentrasi gas polutan yang diemisikan dari cerobong

masing memiliki pola sebaran berbeda sesuai dengan karakteristik


nilai temperatur fluida dan gravitasi bumi yaitu sebesar 9,81 m/s

inisikan dalam simulasi satu dengan lainnya adalah sama. Bentuk

sebaran konsentrasi gas polutan secara rinci dapat dilihat pada Gambar 2

.a). Tampak samping sepanjang bidang centerface.

.b). Tampak samping sepanjang jarak 10 meter dari centerface

cerobong

67

masing gas polutan yang


ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, secara



ng diemisikan dari cerobong

masing memiliki pola sebaran berbeda sesuai dengan karakteristik


nilai temperatur fluida dan gravitasi bumi yaitu sebesar 9,81 m/s2, yang

inisikan dalam simulasi satu dengan lainnya adalah sama. Bentuk

sebaran konsentrasi gas polutan secara rinci dapat dilihat pada Gambar 26.

erface.

(26.c). Tampak samping sepanjang jarak 20 meter dari

(26.d). Tampak samping sepanjang jarak 30 meter dari

(26.e). Tampak samping sepanjang jarak 40 meter dari

Gambar 26. Sebaran konsentrasi SO

Sedangkan untuk sebaran konsentrasi SO

ditunjukan dengan kurva isoline

cerobong

.c). Tampak samping sepanjang jarak 20 meter dari centerface

.d). Tampak samping sepanjang jarak 30 meter dari centerface

.e). Tampak samping sepanjang jarak 40 meter dari centerface

. Sebaran konsentrasi SO2 pada berbagai bidang tampak samping.

Sedangkan untuk sebaran konsentrasi SO2 dipermukaan tanah tampak atas

isoline dan kontur pada Gambar 27.

cerobong

68

centerface.

centerface.

centerface.

berbagai bidang tampak samping.

dipermukaan tanah tampak atas

Gambar 27. Sebaran konsentrasi SOdenga

Pola sebaran gas polutan SO

tanah disamping terbawa oleh kecepatan aliran udara. Kecenderungan gas

ini jatuh ke permukaan tanah dipengaruhi oleh berat molekul yang

dimilikinya yaitu sebesar 6

oleh gaya gravitasi bumi. Gaya gravitasi bumi hanya mempengaruhi gaya

pada arah berlawanan dengan koordinat sumbu y. Sehingga pada

pendefinisian kondisi general gaya gravitasi dituliskan negatif (

pada arah koordinat sumbu y. Jika ditinjau dari persamaan kontinyuitas

Navier-Stokes, maka pergerakan fluida yang searah x dan z tidak

terpengaruh sama sekali dengan gaya gravitasi bumi. Namun pada arah x

terdapat faktor kecepatan angin yang diasumsikan s

m/s. Dengan massa yang dimiliki oleh molekul fluida, perubahan gaya yang

terjadi pada aliran fluida merupakan resultan gaya yang dipengaruhi oleh

gravitasi bumi, kecepatan udara dan tegangan geser terhadap dimensi jarak

partikel fluida. Hal inilah yang akan menentukan arah pergerakan gerakan

fluida tersebut.

Gas SO2 memiliki berat molekul 121,125 % lebih besar dibandingkan

dengan berat molekul udara yaitu sekitar 28,97 gram/mol. Jika ini

diintegrasikan terhadap gaya gravitasi bumi se

gaya berat yang dimiliki oleh gas SO

dimiliki udara. Selain itu, viskositas dinamik SO

nilai viskositas dinamik udara yaitu berturut

1,789 x 10-5 kg/m.s. Artinya kemampuan gerak massa partikel persatuan

cerobong

. Sebaran konsentrasi SO2 dipermukaan tanah tampak atas ditunjukan

dengan kurva isoline dan kontur.

Pola sebaran gas polutan SO2 lebih cenderung jatuh ke permukaan



dimilikinya yaitu sebesar 64,06 gram/mol, yang kemudian dipengaruhi juga



pendefinisian kondisi general gaya gravitasi dituliskan negatif (-9,81) m/s


Stokes, maka pergerakan fluida yang searah x dan z tidak


terdapat faktor kecepatan angin yang diasumsikan seragam yaitu sebesar 2




da. Hal inilah yang akan menentukan arah pergerakan gerakan

memiliki berat molekul 121,125 % lebih besar dibandingkan


diintegrasikan terhadap gaya gravitasi bumi seperti pada Persamaan 38, maka

gaya berat yang dimiliki oleh gas SO2 dua kali lebih dari gaya berat yang

dimiliki udara. Selain itu, viskositas dinamik SO2 jauh lebih rendah dibanding

nilai viskositas dinamik udara yaitu berturut-turut sebesar 1,158 x 10

kg/m.s. Artinya kemampuan gerak massa partikel persatuan

cerobong

69

dipermukaan tanah tampak atas ditunjukan

lebih cenderung jatuh ke permukaan



4,06 gram/mol, yang kemudian dipengaruhi juga



9,81) m/s2


Stokes, maka pergerakan fluida yang searah x dan z tidak


eragam yaitu sebesar 2




da. Hal inilah yang akan menentukan arah pergerakan gerakan

memiliki berat molekul 121,125 % lebih besar dibandingkan


perti pada Persamaan 38, maka

dua kali lebih dari gaya berat yang

jauh lebih rendah dibanding

turut sebesar 1,158 x 10-5 dan

kg/m.s. Artinya kemampuan gerak massa partikel persatuan

70

jarak dan waktu dari gas SO2 sangat rendah dibandingkan dengan

kemampuan udara. Nilai viskositas dinamik akan bepengaruh sama terhadap

arah gerak fluida dari sistem momentum Navier-Stokes.

Adanya jumlah mass flow inlet yang besar dan terjadi fenomena

vortex serta turbulensi fluida pada daerah di belakang cerobong,

mengakibatkan terjadinya akumulasi gas SO2 di daerah tersebut. Hal ini

dapat dilihat pada (Gambar 27), dimana terdapat konsentrasi gas polutan

yang terbesar dalam wilayah vortex, yaitu wilayah sepanjang centerline di

belakang cerobong yang merupakan sumbu simetris dari searah sumbu x

pada bidang permukaan tanah. Nilai konsentrasi terbesar di sepanjang

centerline ditunjukkan pada Gambar 28.

Gambar 28. Grafik konsentrasi SO2 disepanjang centerline

Titik puncak maksimum nilai konsentrasi gas polutan SO2 terdapat

pada jarak 60 m dari titik pusat silinder cerobong yaitu sebesar 10721,64

ppm. Besarnya nilai ini merupakan akibat dari akumulasi yang terjadi

selama 3600 detik dihitung dari awal inlet gas polutan dari cerobong.

Pengakumulasian terjadi karena disamping berada di permukaan tanah,

hembusan kecepatan udara yang menerjang wilayah tersebut pun sangat

rendah dibandingkan dengan wilayah permukaan tanah lainnya di luar

batasan lapisan vortex. Selain itu nilai viskositas dinamik material SO2 juga

sangat rendah, sehingga tidak ada parsel udara yang membawa gas polutan

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320

SO2

Mas

s F

ract

ion

(ppm

)

Length (m)

71

bergerak lebih jauh ke atmosfer. Profil iterasi dari sebaran konsentrasi gas

SO2 disajikan pada Gambar 29.

Gambar 29. Profil iterasi sebaran konsentrasi gas SO2

Iterasi untuk gas SO2 terjadi sebanyak 117 kali hingga didapatkan

nilai rata-rata konsentrasi gas SO2 sebesar 617,97 ppm. Data sebaran gas

SO2 sepanjang centerline secara rinci terdapat pada Lampiran 7. Bentuk

sebaran konsentrasi gas H2S dapat dilihat pada Gambar 30.

(30.a). Tampak samping sepanjang centerface.

(30.b). Tampak samping pada jarak 10 meter dari bidang centerface.

Iterations

72

(30.c). Tampak samping pada jarak 12,5 meter dari bidang centerface.

Gambar 30. Sebaran konsentrasi gas H2S di atmosfer pada berbagai jarak bidang tampak samping dari centerface.

Pada Gambar 30 terlihat bahwa tidak ada aliran gas polutan yang

menuju permukaan tanah. Semua gas polutan yang diemisikan dari

cerobong bergerak ke atas dan mengikuti kecepatan angin. Gas H2S

memiliki kerapatan material atau massa jenis sebesar 1,93 kg/m3, sedangkan

udara memiliki nilai kerapatan material sebesar 3,2 kg/m3. Jika ditinjau dari

persamaan Navier-Stokes, ini menunjukan bahwa potensi pergerakan gas

H2S menuju arah koordinat y (ke atas) positif lebih besar dibandingkan

dengan udara.

Disamping itu nilai viskositas kinematik gas H2S lebih besar

dibandingkan dengan udara yang berturut-turut adalah sebesar 6,1088 x 10-6

dan 5,5906 x 10-6 m2/s. Hal ini menunjukan bahwa potensi luas penyebaran

material gas H2S per satuan waktu lebih besar dibanding dengan udara.

Dengan kata lain reaktivitas gas H2S lebih tinggi dari pada udara. Gambar

penampakan bidang sebaran konsentrasi gas H2S tampak dari atas

ditunjukkan oleh Gambar 31.

(31.a). Tampak atas pada ketinggian 13,5 m dari permukaan tanah.

73

(31.b). Tampak atas pada ketinggian 20 m dari permukaan tanah.

(31.c). Tampak atas pada ketinggian 30 m dari permukaan tanah.

(31.d). Tampak atas pada ketinggian 40 m dari permukaan tanah.

(31.e). Tampak atas pada ketinggian 50 m dari permukaan tanah.

Gambar 31. Sebaran konsentrasi gas H2S tampak atas pada berbagai jarak bidang dari permukaan tanah.

74

Pada Gambar 31 terlihat fenomena sebaran fluida pada ujung jarak

bidang yang terindikasi oleh polutan H2S yang seakan-akan memisah atau

membelah. Hal ini terjadi karena adanya gradien kecepatan fluida pada saat

fluida polutan berada di dalam cerobong silinder. Perbedaan kecepatan

aliran tersebut dipengaruhi oleh tegangan geser dan gaya gesek antara fluida

dengan dinding dalam cerobong, sehingga pada bagian titik tengah

cerobong merupakan kecepatan yang paling tinggi dari gas emisi.

Kecepatan aliran gas emisi dari cerobong searah dengan sumbu y dan

tegak lurus terhadap kecepatan udara ambient yang seragam dan searah

sumbu x. Jika kedua kecepatan tersebut merupakan vektor, maka pola aliran

sebaran gas H2S yang dipresentasikan dalam Gambar 30.a, terjadi karena

faktor resultan kecepatan udara yang searah dengan sumbu x.

Plot nilai sebaran konsentrasi gas H2S dilakukan di sepanjang

centerline pada ketinggian 20 m. Hal ini dilakukan karena pada permukaan

tanah tidak terkena dampak dari sebaran gas polutan H2S. Garis plot nilai

sebaran gas H2S diilustrasikan oleh Gambar 32.

Gambar 32. Ilustrasi garis plot data nilai sebaran gas konsentrasi H2S

Sedangkan sebaran nilai konsentrasi gas polutan H2S dipresentasikan

dengan grafik pada Gambar 33.

Gambar 33. Grafik sebaran gas H

Sebaran konsentrasi gas H

ketinggian 13,5 m sebagaimana ditunjukan dalam Gambar (31.a).

Sedangkan pada ketinggian 20 meter, grafik sebaran gas H

dalam Gambar (33). Pada Gambar 33 terlihat bahwa konsentrasi gas H

semakin menurun terhadap jarak sumbu x. Penurunan secara signifikan

terjadi pada jarak di bawah 3 meter. Sedangkan profil itera

H2S dapat dilihat pada Gambar 3

Gambar 34. Profil iterasi sebaran konsentrasi gas H

-1E-11

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

0 20

Hyd

roge

n su

lfid

e M

ass

Frac

tion

(ppm

)

. Grafik sebaran gas H2S sepanjang centerline.

Sebaran konsentrasi gas H2S di sepanjang centerline mulai terlihat pada


ada ketinggian 20 meter, grafik sebaran gas H2S ditunjukan

dalam Gambar (33). Pada Gambar 33 terlihat bahwa konsentrasi gas H


terjadi pada jarak di bawah 3 meter. Sedangkan profil iterasi sebaran gas

S dapat dilihat pada Gambar 34.

Gambar 34. Profil iterasi sebaran konsentrasi gas H2S.

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Length (m)

75

mulai terlihat pada


S ditunjukan

dalam Gambar (33). Pada Gambar 33 terlihat bahwa konsentrasi gas H2S


si sebaran gas

300

76

Nilai konsentrasi maksimum di sepanjang garis plot terdapat pada

jarak 1,2 meter dari titik pusat silinder cerobong yaitu sebesar 703178,6

ppm. Pada jarak selanjutnya di tingkat elevasi 20 m sebaran konsentrasinya

berubah sangat signifikan, karena gas H2S terus bergerak ke atas sejalan

dengan berubahnya jarak dan terbawa oleh parsel udara yang menghembus

seragam sebesar 2 m/s searah sumbu x. Oleh karena itu, dampak yang

ditimbulkan gas H2S terhadap kehidupan makhluk hidup di permukaan bumi

secara langsung tidak bermasalah. Bentuk sebaran gas polutan CO terlihat

pada Gambar 35.

(35.a). Tampak samping pada centerface.

(35.b). Tampak samping pada jarak 2 meter dari centerface.

(35.c). Tampak samping pada jarak 4 meter dari centerface.

77

(35.d). Tampak atas pada jarak 10 meter dari permukaan tanah.

(35.e). Tampak atas pada jarak 15 meter dari permukaan tanah.

(35.f). Tampak atas pada jarak 19 meter dari permukaan tanah.

(35.g). Tampak atas pada jarak 23 meter dari permukaan tanah.

Gambar 35. Sebaran gas polutan CO pada berbagai jarak bidang.

Pola dispersi gas CO tampak samping terlihat

bergerak menuju permukaan tanah. Disamping debit inputnya yang sangat

kecil dibanding gas polutan lainnya, gas CO memiliki kerapatan material

yang terbesar diantara gas lainnya yaitu sebesar 4,355 kg/m

udara hanya memiliki

gas CO akan dominan cenderung bergerak menuju arah gravitasi bumi.

Dengan nilai inlet polutan yang kecil, kecenderungan gerakan gas CO

menuju permukaan tanah akan terhambat oleh hembusan angin searah x

karena terjadi resultansi gaya pada elemen fluida. Pergerakan dispersi gas

CO akan terbawa oleh parsel udara yang bergerak searah sumbu x. Oleh

karena itu, pada Gambar 35 tampak samping tidak terlihat bahwa gas CO

menyentuh permukaan tanah. Hal ini karena

digunakan dalam simulasi.

Jangkauan dispersi gas CO dalam ruang domain simulasi pada jarak

300 meter mencapai 10 meter lebih menuju permukaan tanah dari sumber

emisi dan 6 meter melebar ke samping pada arah sumbu y

sebaran konsentrasi gas CO sepanjang garis ordinat sumbu x ditunjukkan

oleh Gambar 36.

Gambar 36. Ilustrasi sebaran gas CO sepanjang garis

Pola dispersi gas CO tampak samping terlihat sedikit demi sedikit



yang terbesar diantara gas lainnya yaitu sebesar 4,355 kg/m3. Sedangkan

udara hanya memiliki kerapatan material sebesar 3,2 kg/m3. Oleh karena itu,







menyentuh permukaan tanah. Hal ini karena keterbatasan domain yang

digunakan dalam simulasi.



emisi dan 6 meter melebar ke samping pada arah sumbu y. Besarnya nil


Gambar 36. Ilustrasi sebaran gas CO sepanjang garis centerline

78

sedikit demi sedikit



. Sedangkan

. Oleh karena itu,







keterbatasan domain yang



Besarnya nilai


centerline

Nilai puncak maksimum konsentrasi gas CO terjadi pada jarak 1,2 m

yaitu sebesar 701695,6

ketinggian 20 m sama seperti ilustrasi pada Gambar 3

mengetahui profil iterasi konsentrasi gas CO dapat dilihat pada Gambar 37.

Penghitungan nilai sebaran konsentrasi gas CO dilakukan sebanyak 80

kali iterasi dengan nilai rata

Perubahan volume fluida terbatas yang diakibatkan oleh adanya perbedaan

temperatur, tekanan dan sifat fisik fluida lainnya s

timbulnya pergerakan fluida di atmosfer. Maka dengan prinsip dasar hukum

kekekalan massa dan energi, kadar suatu zat atau massa di suatu posisi titik

(x, y, z) dalam suatu volume terbatas dapat dihitung. Perubahan integral

volume terbatas terhadap fungsi waktu sebanding dengan integral fluks

massa pada bidang volume tersebut.


yaitu sebesar 701695,6 ppm. Plot garis centerline ini dilakukan pada

ketinggian 20 m sama seperti ilustrasi pada Gambar 32. Sedangkan untuk


Gambar 37. Profil iterasi gas CO

nilai sebaran konsentrasi gas CO dilakukan sebanyak 80

kali iterasi dengan nilai rata-rata dari sebaran gas CO sebesar 395,023 ppm.


temperatur, tekanan dan sifat fisik fluida lainnya secara alami memicu



) dalam suatu volume terbatas dapat dihitung. Perubahan integral

s terhadap fungsi waktu sebanding dengan integral fluks

massa pada bidang volume tersebut.

Iterations

79


ini dilakukan pada

. Sedangkan untuk


nilai sebaran konsentrasi gas CO dilakukan sebanyak 80

rata dari sebaran gas CO sebesar 395,023 ppm.


ecara alami memicu



) dalam suatu volume terbatas dapat dihitung. Perubahan integral

s terhadap fungsi waktu sebanding dengan integral fluks

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

A. KESIMPULAN

Kesimpulan dari hasil pembahasan penelitian dispersi gas polutan antara

lain adalah :

1) Pola aliran dispersi gas polutan masing-masing SO2, H2S dan CO

berbeda satu sama lainnya. Aliran dispersi gas SO2 menyentuh

permukaan tanah pada jarak sekitar 20 m dari titik pusat cerobong.

Aliran dispersi gas CO diprediksi menyentuh wilayah permukaan

tanah di luar domain simulasi atau jauh sekitar 300 m dari cerobong.

Sedangkan gas H2S tidak mengalir dan menyebar menuju permukaan

tanah, karena arah pergerakan gas H2S naik ke atas menuju atmosfer.

Hal tersebut dipengaruhi oleh sifat kimiawi dari masing-masing fluida

terutama dari kerapatan material atau densitas dan nilai viskositas

kinematiknya.

2) Hasil simulasi dispersi gas polutan dengan menggunakan model

Gaussian sangat berbeda jauh dengan hasil dari model EFD yang

menggunakan basis persamaan Navier-Stokes. Dalam model Gaussian

tidak ada parameter sifat kimia atau karakteristik bahan material fluida

yang mempengaruhi proses dispersi, bahkan diabaikan. Sedangkan

simulasi dispersi dengan model EFD sangat dipengaruhi oleh faktor

internal dari material fluida yaitu karakteristik kimiawinya.

3) Gas polutan yang paling besar memberikan dampak pencemaran

terhadap permukaan tanah di lingkungan sekitar adalah gas SO2,

dimana nilai konsentrasi yang paling tinggi terdapat pada jarak 60 m

dari cerobong, yaitu sebesar 10721,6 ppm. Sedangkan gas CO

mencemari permukaan tanah pada jarak di atas 300 m dari cerobong

dan gas H2S dari hasil simulasi tidak mencemari permukaan tanah

karena bergerak ke atmosfer.

81

B. SARAN

Beberapa saran yang dapat direkomendasikan untuk penyempurnaan

simulasi dalam kasus yang sama adalah :

1) Data input dalam simulasi lebih baik jika menggunakan data faktual

primer atau data sekunder tapi dari satu sumber kasus.

2) Pertimbangan dalam menggunakan domain untuk simulasi harus

memperhatikan wilayah fokus analisis aliran fluida agar dapat

menghemat memori yang digunakan disamping tujuan dari analisis

tercapai.

3) Untuk menyelesaikan kasus dengan pola aliran fluida yang tidak

seragam sebaiknya diatur time dependency pada tahap general

setting atau pengkondisian awal.

4) Dalam perencanaan pembangunan atau pengembangan suatu industri

akan sangat bijak jika ditunjang dengan melakukan simulasi aliran

penyebaran polutan sebagai akibat dari aktivitas industri yang

direncanakan.

82

DAFTAR PUSTAKA

Anderson, John David Jr. 1995. Computational Fluid Dynamics : The Basics With Applications. McGraw-Hill. Singapore.

Anonimous, 2003. Fluent 6.1 Tutorial Guide. http//: www.fluent.com [22 April 2008].

Anonim, 2006. Laporan LSAP Aglomerasi Perkotaan Yogyakarta (APY). UAQ-I DIY. Yogyakarta.

Anonimous, 2006. Emission Factors. US-EPA. http://www.epa.gov/ttn/chief/ap42.htm. [13 Juni 2008].

Anonimous, 2008. National Ambient Air Quality and Standars. OAQPS-EPA. http://www.naaqs.gov/ap63.htm. [ 12 September 2008].

Anugrah, D.F. 2008. Analisis Trayektori Asap Kebakaran Hutan Menggunakan The Air Pollution Model (TAPM). Skripsi. Departemen Geofisika dan Meteorologi. Institut Pertanian Bogor.

BAPEDAL JABAR. 2005. Pendugaan Dampak Lingkungan. http://www.bappedaljabar.go.id/pencemaran.html. [ 22 Februari 2008 ].

Davis, Mackenzie L and Susan J. Masten. 2004. Principles of Environmental Engineering and Science. The McGraw-Hill Comp. Inc.,North America.

Fletcher, C.A.J. 2006. Computational Techniques for Fluid Dynamics 2-Spesific Techniques for Different Flow Categories. Springer-Verlag. Berlin.

Hargreaves, David Michael. 1997. Analytical and Experimental Studies of Vehicle Pollution Dispersion. Thesis the degree of Doctor of Philosophy. University of Nottingham.

Heinsohn, R.J and J.M. Cimbala.2003. Indoor Air Quality Engineering. Marcel Dekker, Inc. New York.

http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid.

http://encyclopedia.airliquide.com.

Kreith, Frank. 1998. The CRC Handbook of Mechanical Engineering. CRC Press. Boca Raton. Florida.

Liptak, B.G., David H.F. and Liu. 2000. Air Pollution. Boca Raton: Lewis Publisher. Florida.

83

Nugraha, I. B. 2005. Simulasi Pola Aliran Udara, RH dan Suhu Ruang Pengering dengan Teknik Computional Fluid Dynamics (CFD) pada Proses Pengeringan Mahkota Dewa (Phaleria macrocarpha (Scheff.) Boerl.). Skripsi. Departemen Teknik Pertanian, IPB. Bogor.

Okiishi, T.H., Bruce R. Munson and Donald F. Young.,2006. Fundamentals of Fluid Mechanics Fifth Edition. John Wiley & Sons, Inc.USA.

Parwatha, I Gede. 2003. Studi Komputasional Simulasi Pengujian Ground Effect di ILST Serpong. ITB. Bandung.

Prawirowardoyo, S. 1996. Meteorologi. ITB Press. Bandung.

Purabaya, RW dan Dewi Asmara. Analisa Aerodinamika Dua Dimensi Jembatan Suramadu. Prosiding semiloka Teknologi Simulasi dan Komputasi serta Aplikasi, Oktober 2003. PUSPIPTEK Serpong. Tangerang.

Sastrawijaya,T. 2000. Pencemaran Lingkungan. Reksa Cipta. Jakarta.

Seinfeld, J.H.1986. Atmospheric Chemistry and Physics Air Pollutans. John Wiley and Sons, Inc. New York.

Septiyanzar, R.A. 2008. Analisis Trayektori Polutan Udara dari Sumber Garis di Kota Jakarta Menggunakan The Air Pollution Model (TAPM). Skripsi. Departemen Geofisika dan Meteorologi. Institut Pertanian Bogor.

Soedomo, M. 2001. Pencemaran Udara. ITB. Bandung

Soemirat, S.J. 1994. Kesehatan Lingkungan. Gadjah Mada University Press. Yogyakarta.

Soenarmo, S.H 1999. Meteorologi Pencemaran Udara. Departemen Geofisika dan Meteorologi. Institut Teknologi Bandung.

Soeratmo. 1990. Analisis Dampak Lingkungan. Gajah Mada University. Yogyakarta.

Sugiyono, Agus. 1995. Metodologi Studi MARKAL. Workshop on Environmental Analysis Using Energy and Power Evaluation Programme (ENPEP), BATAN. http://www.lipi.inovasi-indonesia.com. [22 Februari 2008].

Supriyono. 1999. Pencemaran Udara bisa Merusak Buku dan Gangguan Kesehatan Staf Perpustakaan. Media Pustaka UGM. D.I Yogyakarta

Syahputra, Benny. 2005. Telaah Studi AMDAL pada Tahap Operasional Pabrik Peleburan Timah (Smelter) PT. Laba-laba Multindo Pangkal Pinang – Bangka Belitung. Fakultas Teknik UNISSULA. Semarang.

84

Syamsa, M Ardisasmita. Aplikasi Teknologi Simulasi dan Komputasi di Industri Nuklir. Prosiding semiloka Teknologi Simulasi dan Komputasi serta Aplikasi, Oktober 2003. PUSPIPTEK Serpong. Tangerang

Tuakia, Firman. 2008. Dasar-dasar CFD Menggunakan Fluent. Informatika Bandung. Bandung.

Versteeg H.K. and W. Malalasekera. 1995. An Introduction to Computational Fluid Dynamics The Finite Volume Method. John Wiley & Sons Inc. New York .

Vesilind, P.A., J.J. Pierce, and Ruth F. Weiner. 1994. Environmental Engineering Third Edition. Butterworth-Heinemann. Boston..

Zhang, Y. 2005. Indoor Air Quality Engineering. CRC Press. Boca Raton. Florida.

Lampiran 2. Hubungan antara tekanan gas polutan dan temperatur.

Lampiran 2. Hubungan antara tekanan gas polutan dan temperatur.

(a).

(b).

86

87

Lampiran 2. Hubungan antara tekanan gas polutan dan temperature (lanjutan).

(c).

Sumber : (a). dan (b). encyclopedia air-liquide USA. (c). konversi dari data tabel National Institute of Standards and

Technology (NIST) USA.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

299

302

306

309

312

316

319

322

326

329

332

336

339

342

346

349

352

356

359

362

366

369

372

Vapo

ur P

ress

ure

(Mpa

)

Temperature (K)

H2S

88

Lampiran 3. Algoritma program VB untuk penghitungan dispersi gas polutan dengan model Gaussian.

Private Sub Command1_Click()

Dim Q, u, H As Single 'input nilai variabel bukan bil. bulat

Dim jarak_x, jarak_y, jarak_z As Single

Dim x, y, z, st As Integer 'input nilai variabel bil. bulat

Dim titik(5000, 5000) 'menunjukan kapasitas data

Dim tipe As String

'pendeklarasian input data ke dalam form

Q = Val(Text1.Text)

u = Val(Text2.Text)

H = Val(Text4.Text)

jarak_x = Val(Text5.Text)

jarak_y = Val(Text6.Text)

jarak_z = Val(Text7.Text)

st = Val(Text8.Text)

tipe = Text3.Text

'pembuatan file data keluaran dari hasil perhitungan

Open "D:\dataoutput6b_BSO2.txt" For Output As #2

For y = -(jarak_y) To jarak_y Step st

'looping jarak x u/ menghitung pers.D.O. Martin dalam menentukan kelas stabilitas

atmosfer

For x = 0 To jarak_x

If Text3.Text = "A" And x <= 1000 Then

sigma_y = 213 * x ^ 0.894

sigma_z = 440 * x ^ 1.941 + 9.27

ElseIf Text3.Text = "A" And x > 1000 Then

sigma_y = 213 * x ^ 0.894

sigma_z = 459.7 * x ^ 2.094 - 9.6

ElseIf Text3.Text = "B" And x <= 1000 Then

sigma_y = 156 * x ^ 0.894

sigma_z = 100.6 * x ^ 1.149 + 3.3

ElseIf Text3.Text = "B" And x > 1000 Then

sigma_y = 156 * x ^ 0.894

sigma_z = 108.2 * x ^ 1.098 + 2

89

ElseIf Text3.Text = "C" Then

sigma_y = 104 * x ^ 0.894

sigma_z = 61 * x ^ 0.911 + 0

ElseIf Text3.Text = "D" And x <= 1000 Then

sigma_y = 68 * x ^ 0.894

sigma_z = 33.2 * x ^ 0.725 - 1.7

ElseIf Text3.Text = "D" And x > 1000 Then

sigma_y = 68 * x ^ 0.894

sigma_z = 44.5 * x ^ 0.516 - 13

ElseIf Text3.Text = "E" And x <= 1000 Then

sigma_y = 50.5 * x ^ 0.894

sigma_z = 22.8 * x ^ 0.678 + 1.3

ElseIf Text3.Text = "E" And x > 1000 Then

sigma_y = 50.5 * x ^ 0.894

sigma_z = 55.4 * x ^ 0.305 - 34

ElseIf Text3.Text = "F" And x <= 1000 Then

sigma_y = 34 * x ^ 0.894

sigma_z = 14.35 * x ^ 0.74 - 0.35

ElseIf Text3.Text = "F" And x > 1000 Then

sigma_y = 34 * x ^ 0.894

sigma_z = 62.6 * x ^ 0.18 - 48.6

End If

If sigma_y = 0 Or sigma_z = 0 Then GoTo 10

'perhitungan dispersi dg Model Gaussian

c_sg = Q / (2 * 3.14159 * u * sigma_y * sigma_z)

If z = 0 Then

c = (c_sg * Exp(-0.5 * (y / sigma_y) ^ 2) * Exp(-0.5 * (H / sigma_z) ^ 2)) *

(10 ^ 6)

ElseIf z <> 0 Then

c = (c_sg * Exp(-0.5 * (y / sigma_y) ^ 2) * Exp(-0.5 * (((z - H) / sigma_z) ^ 2

+ ((z + H) / sigma_z) ^ 2))) * (10 ^ 6)

End If

List1.AddItem x, y

List2.AddItem sigma_y

90

List3.AddItem sigma_z

List4.AddItem c

Write #2, c 'menyimpan hasil perhitungan pada file yang telah disiapkan

10 Next x

Next y

Close #1

End Sub

Private Sub Command2_Click()

End

End Sub

91

Lampiran 4. Data nilai sebaran konsentrasi gas polutan sepanjang sumbu x.

No jarak x (centerline)

Konsentrasi Polutan (µg/m³) SO2 H2S CO

1 10 115,6207 10,26274 2,77E-02 2 20 28,0944 2,493718 6,73E-03 3 30 12,27553 1,089602 2,94E-03 4 40 6,821385 0,60548 1,63E-03 5 50 4,324467 0,383849 1,04E-03 6 60 2,979859 0,264499 7,14E-04 7 70 2,174927 0,193051 5,21E-04 8 80 1,655703 0,146964 3,97E-04 9 90 1,301637 0,115536 3,12E-04 10 100 1,049582 9,32E-02 2,52E-04 11 110 0,863891 7,67E-02 2,07E-04 12 120 0,723207 6,42E-02 1,73E-04 13 130 0,614114 5,45E-02 1,47E-04 14 140 0,527837 0,046852 1,27E-04 15 150 0,458447 4,07E-02 1,10E-04 16 160 0,401818 3,57E-02 9,63E-05 17 170 0,355011 3,15E-02 8,51E-05 18 180 0,315886 2,80E-02 7,57E-05 19 190 0,282853 2,51E-02 6,78E-05 20 200 0,254713 2,26E-02 6,10E-05 21 210 0,230549 2,05E-02 5,53E-05 22 220 0,209648 1,86E-02 5,02E-05 23 230 0,191448 1,70E-02 4,59E-05 24 240 0,175505 1,56E-02 4,21E-05 25 250 0,161463 1,43E-02 3,87E-05 26 260 0,14903 1,32E-02 3,57E-05 27 270 0,137971 1,22E-02 3,31E-05 28 280 0,128092 1,14E-02 3,07E-05 29 290 0,119231 1,06E-02 2,86E-05 30 300 0,111252 9,87E-03 2,67E-05

92

Lampiran 5. Data sebaran tegangan geser dan koefisien gesek pada permukaan silinder.

No. jarak sepanjang garis plot (m)

tegangan geser (Pa)

39 2,835 2,132E-03 40 2,914 1,421E-03 41 3,029 3,796E-04 42 3,129 2,911E-03 43 3,224 5,301E-03 44 3,364 6,602E-03 45 3,420 7,120E-03 46 3,533 4,938E-03 47 3,577 4,115E-03 48 3,621 3,293E-03 49 3,759 2,896E-03 50 3,798 2,767E-03 51 3,829 2,663E-03 52 4,016 1,752E-03 53 4,047 1,597E-03 54 4,214 9,902E-04 55 4,282 7,833E-04 56 4,435 5,657E-04 57 4,478 5,207E-04 58 4,581 4,486E-04 59 4,702 4,129E-04 60 4,931 3,610E-04 61 5,142 3,126E-04 62 5,355 2,461E-04 63 5,562 1,785E-04 64 5,703 1,405E-04 65 5,842 1,077E-04 66 5,972 9,340E-05 67 5,996 9,081E-05 68 6,014 8,892E-05


tegangan geser (Pa)

1 0,000 1,027E-05 2 0,023 4,352E-05 3 0,047 1,231E-04 4 0,070 2,425E-04 5 0,093 3,694E-04 6 0,140 6,258E-04 7 0,217 1,043E-03 8 0,410 4,606E-03 9 0,512 6,917E-03

10 0,610 9,222E-03 11 0,784 1,091E-02 12 0,817 1,120E-02 13 0,988 1,299E-02 14 1,037 1,350E-02 15 1,178 1,439E-02 16 1,225 1,467E-02 17 1,273 1,489E-02 18 1,315 1,496E-02 19 1,360 1,499E-02 20 1,406 1,498E-02 21 1,451 1,494E-02 22 1,538 1,478E-02 23 1,633 1,460E-02 24 1,764 1,447E-02 25 1,806 1,434E-02 26 1,954 1,371E-02 27 2,003 1,347E-02 28 2,047 1,297E-02 29 2,092 1,240E-02 30 2,136 1,176E-02 31 2,180 1,107E-02 32 2,226 1,029E-02 33 2,263 9,639E-03 34 2,311 8,869E-03 35 2,358 8,179E-03 36 2,406 7,569E-03 37 2,437 7,201E-03 38 2,639 4,889E-03

93

Lampiran 5. Data sebaran tegangan geser dan koefisien gesek pada permukaan silinder (lanjutan).


koefisien gesek

39 4,047 1,511E-02 40 4,101 1,610E-02 41 4,156 1,701E-02 42 4,214 1,791E-02 43 4,248 1,835E-02 44 4,282 1,863E-02 45 4,333 1,812E-02 46 4,384 1,751E-02 47 4,478 1,616E-02 48 4,520 1,546E-02 49 4,541 1,523E-02 50 4,621 1,556E-02 51 4,661 1,580E-02 52 4,702 1,613E-02 53 4,785 1,694E-02 54 4,841 1,730E-02 55 4,931 1,809E-02 56 5,059 1,925E-02 57 5,142 2,022E-02 58 5,188 2,088E-02 59 5,307 2,279E-02 60 5,355 2,344E-02 61 5,402 2,402E-02 62 5,449 2,454E-02 63 5,562 2,647E-02 64 5,649 2,798E-02 65 5,703 2,854E-02 66 5,842 2,995E-02 67 5,972 2,909E-02 68 5,996 2,893E-02 69 6,014 2,876E-02


koefisien gesek

1 0,000 4,048E-05 2 0,023 1,715E-04 3 0,047 4,852E-04 4 0,070 9,560E-04 5 0,093 1,456E-03 6 0,140 2,467E-03 7 0,217 4,110E-03 8 0,410 9,383E-03 9 0,461 9,385E-03

10 0,610 9,252E-03 11 0,704 8,393E-03 12 0,784 7,591E-03 13 0,939 5,996E-03 14 0,988 5,545E-03 15 1,037 5,126E-03 16 1,178 4,695E-03 17 1,360 4,018E-03 18 1,538 3,461E-03 19 1,764 3,041E-03 20 2,003 2,520E-03 21 2,226 1,860E-03 22 2,437 1,383E-03 23 2,639 1,003E-03 24 2,857 4,408E-04 25 2,914 3,271E-04 26 3,029 9,977E-05 27 3,129 1,214E-03 28 3,224 2,266E-03 29 3,364 3,127E-03 30 3,420 3,469E-03 31 3,577 3,057E-03 32 3,621 2,944E-03 33 3,667 3,649E-03 34 3,713 4,463E-03 35 3,759 5,386E-03 36 3,798 6,299E-03 37 3,829 7,070E-03 38 4,016 1,396E-02

94

Lampiran 6. Hasil iterasi kecepatan rata-rata dan tekanan udara dinamik.

Iterations Av Dynamic Pressure (Pa) Av Velocity (m/s) 1 2,18023 1,85419 2 2,18015 1,85415 3 2,18009 1,85412 4 2,17999 1,85408 5 2,17993 1,85405 6 2,17983 1,85400 7 2,17971 1,85395 8 2,17958 1,85389 9 2,17946 1,85383

10 2,17933 1,85377 11 2,17915 1,85368 12 2,17896 1,85359 13 2,17879 1,85350 14 2,17862 1,85342 15 2,17846 1,85333 16 2,17823 1,85321 17 2,17800 1,85310 18 2,17778 1,85299 19 2,17757 1,85288 20 2,17737 1,85277 21 2,17707 1,85262 22 2,17680 1,85247 23 2,17653 1,85233 24 2,17629 1,85220 25 2,17605 1,85207 26 2,17573 1,85189 27 2,17544 1,85173 28 2,17517 1,85158 29 2,17493 1,85144 30 2,17472 1,85131 31 2,17444 1,85114 32 2,17421 1,85101 33 2,17402 1,85089 34 2,17388 1,85079 35 2,17379 1,85071 36 2,17375 1,85065 37 2,17375 1,85062 38 2,17383 1,85062 39 2,17394 1,85064 40 2,17407 1,85067

95

Lampiran 6. Hasil iterasi kecepatan rata-rata dan tekanan dinamik (lanjutan).

Iterations Av Dynamic Pressure (Pa) Av Velocity (m/s) 41 2,17424 1,85072 42 2,17436 1,85075 43 2,17445 1,85077 44 2,17451 1,85077 45 2,17455 1,85077 46 2,17460 1,85077 47 2,17464 1,85077 48 2,17467 1,85077 49 2,17470 1,85077 50 2,17473 1,85077 51 2,17475 1,85077 52 2,17479 1,85078 53 2,17483 1,85078 54 2,17486 1,85079 55 2,17488 1,85079 56 2,17490 1,85079 57 2,17492 1,85079 58 2,17494 1,85079 59 2,17495 1,85079 60 2,17494 1,85077 61 2,17496 1,85077 62 2,17498 1,85077 63 2,17501 1,85077 64 2,17506 1,85078 65 2,17511 1,85081 66 2,17518 1,85082 67 2,17521 1,85084 68 2,17526 1,85086 69 2,17530 1,85087 70 2,17536 1,85089 71 2,17542 1,85091 72 2,17546 1,85093 73 2,17548 1,85094 74 2,17548 1,85094 75 2,17549 1,85093 76 2,17548 1,85092 77 2,17547 1,85092 78 2,17542 1,85090 79 2,17537 1,85088 80 2,17530 1,85084

96

Lampiran 6. Hasil iterasi kecepatan rata-rata dan tekanan dinamik (lanjutan).

Iterations Av Dynamic Pressure (Pa) Av Velocity (m/s) 81 2,17525 1,85080 82 2,17518 1,85076 83 2,17514 1,85074 84 2,17510 1,85071 85 2,17505 1,85069 86 2,17503 1,85067 87 2,17504 1,85067 88 2,17506 1,85067 89 2,17510 1,85068 90 2,17513 1,85070 91 2,17517 1,85072 92 2,17518 1,85073 93 2,17515 1,85071 94 2,17518 1,85072 95 2,17522 1,85074 96 2,17523 1,85076 97 2,17519 1,85075 98 2,17517 1,85075 99 2,17516 1,85074

100 2,17514 1,85075 101 2,17509 1,85074 102 2,17507 1,85073 103 2,17505 1,85072 104 2,17503 1,85072 105 2,17498 1,85071 106 2,17494 1,85068 107 2,17493 1,85068 108 2,17492 1,85068 109 2,17492 1,85068 110 2,17492 1,85068 111 2,17494 1,85069 112 2,17495 1,85069 113 2,17496 1,85069 114 2,17496 1,85069 115 2,17497 1,85069 116 2,17499 1,85069 117 2,17501 1,85070 118 2,17501 1,85070 119 2,17502 1,85070

97

Lampiran 7. Sebaran konsentrasi gas SO2 sepanjang centerline.

No. jarak (m) konsentrasi (ppm) 1 0 0 2 1,967008847 0 3 1,967664473 -0,072578423 4 2,001256242 -0,080463355 5 8,001256242 -0,046281261 6 20,00125624 -1,988748553 7 24,00125624 10,45271961 8 28,00125624 78,28918309 9 32,00125624 499,0306873

10 36,00125624 1811,742645 11 40,00125624 4218,237549 12 44,00125624 6962,2904 13 48,00125624 9017,366777 14 52,00125624 10170,99841 15 56,00125624 10690,99908 16 60,00125624 10721,64404 17 64,00125624 10327,93914 18 68,00125624 9623,736218 19 72,00125624 8739,263268 20 76,00125624 7718,554041 21 80,00125624 6788,766956 22 88,00125624 5278,931261 23 92,00125624 4606,94016 24 96,00125624 4025,644814 25 100,0012562 3527,375472 26 104,0012562 3100,376138 27 109,0012562 2656,313427 28 113,0012562 2353,068151 29 117,0012562 2091,255549 30 122,0012562 1815,509427 31 128,0012562 1542,262019 32 136,0012562 1262,081132 33 145,0012562 1024,966028 34 151,0006281 902,9889646 35 164,0012562 700,317099 36 182,0012562 522,7727875 37 202,0012562 406,4166275 38 237,0012562 287,0509381 39 300 192,3585269

simulasi dispersi gas polutan so2, h2s, dan co … · konsentrasi gas polutan berupa bidang 2...

Documents