bab ii tinjauan pustaka a. pencemaran udara 1. definisi ... · definisi pencemaran udara menurut...

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 ii tinjauan pustaka a. pencemaran udara 1. definisi ... · definisi pencemaran udara menurut...

Documents