COVID-19 cases will continue to spread throughout the world until 2023, including inIndonesia, and have many negative impacts, especially for the industrial world because it is difficultto enforce a minimum distance of 1-2 meters between employees. One technology that has highpotential to be applied is the air curtain. This journal analyzes push-pull ventilation to protectworkers from microdroplet inhalation. In this study, two variations of the push-pull ventilation speedratio (Vs/Vb) were used, namely 4 and 6. As well as using a variation of the push nozzle slope, namely10°. In this study, running was carried out with two models, namely modeling without a mannequinand with a mannequin. To complete this research, simulations were carried out using theComputational Fluid Dynamics (CFD) method using Salome, OpenFOAM, and ParaView software.So, the results obtained in modeling without a mannequin, the speed ratio of 6 is the most optimalratio with the least amount of average discharge that goes out of bounds, namely 0.582 m3/s. Whilethe results of the push-pull modeling with the mannequin show that no droplets penetrate the aircurtain at all variations of the velocity ratio, the velocity ratio of 6 is the velocity ratio that has aover-blow flow pattern that is very effective in holding down spray from droplets

Moballa, Burniadi

Purwana, Agung

Rafli Syahrizal R, Muhammad

English

Kumpulan Jurnal dan Prosiding Elektronik PPNS (Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya - Pusat Penelitian dan Pengabdian Masyarakat, P3M)

Proceeding 6 th Conference on Marine Engineering and its Application                    e-ISSN No. 2655 - 3333 Program Studi D4 Teknik Permesinan Kapal – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya Studi Numerik Pengaruh Sudut Kemiringan Push Nozzle pada Air Curtain Terhadap Pola Aliran Push-Pull Ventilation  Muhammad Rafli Syahrizal Rasyid1*, Burniadi Moballa2, Agung Purwana3   Program studi D4 Teknik Permesinan Kapal, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya,  Indonesia1* Program studi D4 Teknik Permesinan Kapal, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Indonesia2 Program studi D4 Teknik Permesinan Kapal, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Indonesia3 Email: muhammadrafli@student.ppns.ac.id1*;  bmoballa@ppns.ac.id2*;  agung_purwana@ppns.ac.id3*;   Abstract - COVID-19 cases will continue to spread throughout the world until 2023, including in Indonesia, and have many negative impacts, especially for the industrial world because it is difficult to enforce a minimum distance of 1-2 meters between employees. One technology that has high potential to be applied is the air curtain. This journal analyzes push-pull ventilation to protect workers from microdroplet inhalation. In this study, two variations of the push-pull ventilation speed ratio (Vs/Vb) were used, namely 4 and 6. As well as using a variation of the push nozzle slope, namely 10°. In this study, running was carried out with two models, namely modeling without a mannequin and with a mannequin. To complete this research, simulations were carried out using the Computational Fluid Dynamics (CFD) method using Salome, OpenFOAM, and ParaView software. So, the results obtained in modeling without a mannequin, the speed ratio of 6 is the most optimal ratio with the least amount of average discharge that goes out of bounds, namely 0.582 m3/s. While the results of the push-pull modeling with the mannequin show that no droplets penetrate the air curtain at all variations of the velocity ratio, the velocity ratio of 6 is the velocity ratio that has a over-blow flow pattern that is very effective in holding down spray from droplets.  Keyword: Computational Fluid Dynamics, COVID-19, droplet, push-pull ventilation, velocity ratio    Nomenclature vs Velocity pull/suction (m/s) vb  Velocity push/blow (m/s) vg Velocity droplet (m/s) vs / vb  Velocity ratio blow and suction nozzle t Time (s) Q Volumetric flow rate (m3/s)  1. PENDAHULUAN  Kasus COVID-19 akan terus berjangkit hingga tahun 2023 ini. Virus ini menginfeksi manusia dalam jumlah besar dan memiliki dampak negatif yang luas terhadap kehidupan, terutama pada kesehatan fisik dan mental manusia. Virus dapat menyebar sebagai partikel cair kecil (droplet) dari mulut atau hidung orang yang terinfeksi ketika mereka batuk, bersin, berbicara, bernyanyi, atau bernapas. Partikel-partikel ini berkisar dari tetesan pernapasan yang lebih besar hingga aerosol yang lebih kecil. Droplet bergerak di udara, meski tidak jauh. Ada kasus di mana terjadi penularan tidak langsung yang menjadi topik diskusi terkait penyebaran COVID-19 di udara melalui microdroplet. Melakukan jaga jarak minimum 1 sampai 2 meter di antara pekerja sulit untuk diterapkan di industri. Hal ini dikarenakan keterbatasan layout, luas, maupun sistem kerja di industri. COVID-19 adalah sesuatu yang tidak bisa diremehkan. Meskipun jumlah kasus infeksi COVID-19 menurun pada tahun 2023, COVID-19 terus bermutasi setiap tahun dan menjadi semakin berbahaya. Oleh karena itu, diperlukan suatu sistem di industri yang dapat melindungi pekerja industri dari kemungkinan paparan COVID-19 dengan cara memasang air curtain (tirai udara) yang terdapat pada push-pull ventilation [6]. Pada jurnal kali ini akan membahas metode numerik tentang sistem pengelolaan tata udara dengan push-pull ventilation yang mampu melindungi pekerja industri dari inhalasi microdroplet yang bisa menularkan COVID-19. Tujuan dari pengerjaan jurnal ini adalah untuk mengetahui efektivitas sistem tata udara dari push-pull ventilation di tempat industri untuk mengurangi risiko penyebaran COVID-19 di sektor industri. Pada jurnal ini dilakukan analisis debit dan kecepatan udara push-pull, serta menganalisis pengaruh sudut kemiringan push nozzle pada push-pull ventilation terhadap pola aliran dari push-pull ventilation. Dalam jurnal ini, metode Computational Fluid Dynamics (CFD) digunakan sebagai alat bantu untuk menganalisis kecepatan aliran push-pull ventilation, kecepatan udara, serta sudut kemiringan push nozzle pada push-pull Proceeding 6 th Conference on Marine Engineering and its Application                    e-ISSN No. 2655 - 3333 Program Studi D4 Teknik Permesinan Kapal – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya ventilation. Hasil akhir dari penelitian ini adalah untuk melindungi pekerja industri dari risiko paparan COVID-19 dan tidak mengurangi produktivitas mereka dalam bekerja.  2. METODOLOGI . 2.1 Metodologi Penelitian Berikut ini adalah diagram alir proses pengerjaan penelitian ini, dapat dilihat pada Gambar di bawah ini.  Gambar 1 Diagram alir penelitian.  2.2 Push-Pull Ventilation Push-pull ventilation telah digunakan sebagai kontrol teknik selama bertahun-tahun. Untuk polusi di dalam ruangan bisa diatasi oleh push-pull ventilation yang telah menjadi metode ventilasi yang efektif. Push-pull ventilation memiliki ketahanan yang kuat terhadap arus udara dari luar, serta pengoperasinnya yang handal dan stabil, hemat energi.  Penggunaannya sebagai penghalang perpindahan panas dan massa menjadi topik utama pada jurnal ini. Sebuah tirai udara yang dirancang dengan baik dapat mencegah perpindahan massa melaluinya di kedua arah [1]. Sistem push-pull ventilation terdiri dari dua bagian yaitu push jet dan pull exhaust. Push-pull ventilation terdapat empat mode aliran karakteristik, yang dilambangkan sebagai dispersi, transisi, enkapsulasi dan hisap yang kuat. Hal ini diidentifikasi dalam domain kecepatan push-jet dan pull-flow pada berbagai lebar tangki permukaan terbuka dan meningkatnya kecepatan gas [3].   Gambar 2 Prinsip air curtain. Sumber : (Etkin & McKinney, 1992).  2.3 Perhitungan Kecepatan Batuk Perhitungan kecepatan batuk dapat dihitung dengan persamaan berikut [2].      ,    dimana :  = 1,680  = 3,338  = 0,428         keterangan :        2.4 Computational Fluid Dynamic (CFD) CFD menyimulasikan gerak fluida berdasarkan pada suatu kondisi dengan menggunakan dasar-dasar perhitungan fluida bergerak. Simulasi CFD dapat memprediksi secara rinci pergerakan fluida di sekitar objek penelitian, baik di dalam maupun di luar bangunan. Namun demikian, karena model simulasi CFD menggunakan banyak asumsi, akurasi model tersebut harus divalidasi dengan menggunakan data eksperimen lainnya sebagai pembanding, seperti on-site experiment, wind-tunnel experiment, dan numerical validation. Proceeding 6 th Conference on Marine Engineering and its Application                    e-ISSN No. 2655 - 3333 Program Studi D4 Teknik Permesinan Kapal – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya Simulasi CFD dilakukan melalui tiga tahapan, yaitu preprocessing, solving, dan postprocessing. Pada jurnal ini, untuk tahapan preprocessing menggunakan software SALOME, untuk tahap solving menggunakan software OpenFOAM, dan untuk tahap postprocessing menggunakan software ParaView.  2.5 SALOME SALOME adalah platform simulasi numerik Open Source yang memungkinkan realisasi lengkap dari studi numerik. Pengguna dapat  menginstal kode digital inti mereka pada platform, menentukan geometri masalah, menggabungkannya, menentukan kondisi batas, meluncurkan pemecah pada superkomputer, menghitung, memvisualisasikan hasil, dan menganalisis data. Semua tindakan ini dilakukan dalam lingkungan yang koheren dan terintegrasi. SALOME dapat mengelola simulasi numerik besar, seperti yang ditemui dalam studi multifisika dan/atau parametrik [5]. Pada jurnal ini SALOME digunakan untuk pemodelan geometri dan melakukan meshing pada model geometri tersebut.  2.6 OpenFOAM OpenFOAM adalah sebuah pustaka berorientasi objek untuk mekanika kontinum komputasi yang dirancang untuk mencapai tujuan di atas. Sebagai pengganti desain perangkat lunak monolitik dan ekstensi "pengkodean pengguna", OpenFOAM mengimplementasikan komponen-komponen penanganan mesh, sistem linier dan dukungan solver, operator diskritisasi, dan model fisik dalam bentuk pustaka, di mana komponen-komponen tersebut digunakan kembali pada sejumlah solver tingkat atas. Aplikasi ini dibagi menjadi dua kategori, yaitu solvers, yang masing-masing dirancang untuk memecahkan masalah tertentu dalam mekanika kontinum dan utilitas, yang dirancang untuk melakukan tugas yang melibatkan manipulasi data [4]. Pada jurnal ini OpenFOAM digunakan untuk solving pada model geometri yang sudah dibuat.  2.7 ParaView ParaView adalah aplikasi visualisasi dan analisis data multi-platform open-source. ParaView telah diintegrasikan ke dalam platform untuk memanfaatkan kapasitasnya dalam memvisualisasikan model besar. Perangkat lunak Sumber Terbuka ParaView terintegrasi dalam platform SALOME. Ini mewakili alat visualisasi utama platform dan secara khusus dipilih karena kemampuannya untuk mengelola volume data yang besar. Kemampuan visualisasi ParaView telah terintegrasi dalam aplikasi SALOME dalam bentuk modul khusus. Kemampuan ParaView sehubungan dengan kumpulan data besar dan integrasinya yang efisien secara alami dalam lingkungan tipe paralel/cluster memandu pilihan ini [5]. Pada jurnal ini ParaView digunakan untuk mengolah data pada model geometri yang sudah dibuat dan di-running.   3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Hasil Perhitungan Laju Aliran Batuk Untuk data yang akan dihitung sebagai berikut :  h (orang)  = 1,68 m w (orang)  = 68 kg A (bukaan mulut)  = 0,000336 m2 Menentukan Cough Peak Flow Rate (CPFR) menggunakan persamaan diatas sebagai berikut :     Menentukan kecepatan batuk (Vg) sebagai berikut :     3.2 Hasil Perhitungan Kecepatan Push-Pull Dari kecepatan batuk (Vg) dapat menentukan kecepatan blow nozzle (Vb) dan suction nozzle (Vs) yaitu sebagai berikut :         Setelah nilai kecepatan nozzle didapatkan, dilakukan variasi rasio kecepatan (Vs/Vb) beserta penambahan sudut 10o pada blow nozzle agar dapat mengetahui pola aliran yang paling optimum. Untuk tabel perhitungan variasi rasio dan kecepatan dapat dilihat pada Tabel 1 berikut.  Tabel 1 Variasi Push-Pull Ventilation Rasio Kecepatan (Vs/Vb) Kecepatan Blow Nozzle (m/s) Sudut Kemiringan Blow Nozzle  Kecepatan Suction Nozzle (m/s) 4 6,24 10o 24,96 6 6,24 10o 37,44  3.3 Pemodelan Geometri Pemodelan geometri dilakukan dengan software SALOME. Dilakukan 2 variasi pemodelan geometri, yaitu pemodelan geometri tanpa manekin dan dengan manekin. Untuk blow nozzle dan suction nozzle menggunakan diameter 2 inchi dan 4 inchi. Proceeding 6 th Conference on Marine Engineering and its Application                    e-ISSN No. 2655 - 3333 Program Studi D4 Teknik Permesinan Kapal – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya  Gambar 3 Pemodelan geometri tanpa manekin.  Gambar 4 Ukuran pemodelan geometri tanpa manekin.  Gambar 5 Pemodelan geometri dengan manekin.  Gambar 6 Ukuran pemodelan geometri dengan manekin.  3.4 Meshing Mesh dalam geometri 2D menggunakan algoritma NETGEN 1D-2D dengan software SALOME dan dilanjutkan Cartesian2DMesh dengan software OpenFOAM. Meshing menggunakan maxcellsize yang berukuran 0,04 m agar aliran dalam simulasi terlihat lebih jelas dan lebih akurat.   Gambar 7 Meshing tanpa manekin.  Gambar 8 Meshing dengan manekin.  3.5 Hasil Simulasi Tanpa Manekin Hasil mesh dan variasi yang telah dimasukan ke dalam software perhitungan disimulasikan berdasarkan setting yang telah dijelaskan sebelumnya. Berikut merupakan hasil simulasi pemodelan tanpa manekin (u.air) yang telah dilakukan pada penelitin ini.    Gambar 9 Hasil simulasi tanpa manekin (rasio 4). Proceeding 6 th Conference on Marine Engineering and its Application                    e-ISSN No. 2655 - 3333 Program Studi D4 Teknik Permesinan Kapal – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya  Gambar 10 Hasil simulasi tanpa manekin (rasio 6)  3.6 Hasil Simulasi Dengan Manekin Sedangkan, berikut merupakan hasil simulasi pemodelan dengan manekin (vorticity) yang telah dilakukan pada penelitin ini.    Gambar 11 Hasil simulasi dengan manekin rasio 4 (t=0,1s).  Gambar 12 Hasil simulasi dengan manekin rasio 4 (t=0,5s).  Gambar 13 Hasil simulasi dengan manekin rasio 6 (t=0,1s).  Gambar 14 Hasil simulasi dengan manekin rasio 6 (t=0,5s).  3.7 Pembahasan Pemodelan Tanpa Manekin Dari hasil simulasi diatas, dapat dilihat bahwa terdapat perbedaan jumlah debit u.air (velocity) yang menembus sisi kanan, kiri, dan atas boundary. Nilai hasil perbedaan pada tiap variasi rasio kecepatan dapat dilihat pada Gambar 13 dan Tabel 2.  Gambar 15 Grafik debit u.air yang menembus boundary.  Tabel 2 Data Debit u.air yang Menembus Boundary Rasio Kecepatan Rata-rata debit u.air yang menembus boundary (t 0 – 50s) 4 0,59281 m3/s 6 0,58248 m3/s  Dilihat dari tabel diatas, rasio kecepatan 4 memiliki nilai debit u.air yang menembus boundary paling banyak dengan nilai rata rata sebesar 0,593 m3/s. Ketika rasionya dinaikkan sebesar 6 memiliki nilai debit u.air yang menembus boundary berkurang sedikit dengan nilai rata rata sebesar 0,582 m3/s. Jadi rasio kecepatan blow nozzle dan suction nozzle pada sudut kemiringan 10o yang paling optimum untuk menahan dispersi semburan droplet adalah variasi rasio 6 dengan nilai kecepatan blow nozzle dan suction nozzle sebesar 6,24 m/s dan 37,44 m/s.  3.8 Pembahasan Pemodelan Dengan Manekin Dari hasil simulasi diatas, dapat dilihat bahwa semua jumlah droplet dapat ditahan oleh aliran push-pull. Nilai droplet yang tembus tersebut dapat dilihat pada Tabel 3.  Tabel 3 Data Perhitungan Droplet  Rasio (Vs/Vb) 4 6 Droplet yang tembus 0 0 Droplet yang terhisab suction nozzle 301 427 Droplet yang jatuh di lantai 8 0 Droplet yang menempel di badan cougher 118 0 Total Droplet 427 427  Dapat dilihat dari data pada Tabel 3 bahwa tidak ada droplet yang menembus aliran push-pull pada berbagai rasio kecepatan. Namun terdapat perbedaan jumlah droplet yang terhisab dalam suction nozzle dan perbedaan pola aliran. Pada rasio 4 tidak semua droplet terhisab, hanya 301 droplet yang terhisab suction nozzle. Sedangkan pada rasio kecepatan 6, semua droplet terhisab dalam suction nozzle. Semakin banyak droplet yang terhisab oleh suction nozzle, maka semakin optimal rasio kecepatan dari push-pull. Pada rasio kecepatan 4 terbentuk pola aliran under-suction. Jika rasio kecepatan dinaikkan sebesar 6 terbentuk  pola aliran over-blow. Jadi rasio kecepatan blow nozzle dan suction nozzle pada sudut kemiringan 10o yang paling optimum Proceeding 6 th Conference on Marine Engineering and its Application                    e-ISSN No. 2655 - 3333 Program Studi D4 Teknik Permesinan Kapal – Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya untuk menahan dispersi semburan droplet dilihat dari variasi pemodelan tanpa manekin dan dengan manekin adalah variasi rasio (Vs/Vb) 6 dengan nilai kecepatan blow nozzle dan suction nozzle sebesar 6,24 m/s dan 37,44 m/s.   4. KESIMPULAN Berdasarkan hasil simulasi yang telah dilakukan peneliti, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Dengan ditambahkannya sudut kemiringan pada blow nozzle, dapat mempengaruhi pola aliran dari push-pull ventilation. Pada jurnal ini menggunakan sudut 10o pada blow nozzle. Dari hasil simulasi, terlihat bahwa terdapat pembelokan aliran kearah dalam dari blow nozzle menuju ke suction nozzle.  2. Pengaruh debit pull terhadap pola aliran tanpa manekin dan dengan manekin adalah semakin besar nilai kecepatan maka semakin besar juga nilai debit yang dikeluarkan oleh nozzle. Semakin besar nilai debit yang dikeluarkan oleh pull, maka semakin kuat aliran dalam menahan semburan droplet. Pada jurnal ini didapatkan kecepatan pull (Vs) dan debit pull (Qs) sebesar 37,44 m/s dan 3,8 m3/s adalah yang paling optimal dengan pola aliran yang terbentuk adalah over-blow. 3. Pengaruh rasio kecepatan push-pull berbanding lurus dengan pengaruh debit push-pull. Semakin besar nilai kecepatan yang dikeluarkan oleh push-pull, maka semakin kuat aliran dalam menahan semburan droplet. Pada jurnal ini didapatkan rasio kecepatan (Vs/Vb) 6 adalah rasio yang paling optimal dengan kecepatan blow nozzle dan suction nozzle sebesar 6,24 m/s dan 37,44 m/s dengan jenis aliran over-blow. 4. Dari hasil simulasi, aliran batuk sangat mempengaruhi aliran push-pull. Pada hasil simulasi memperlihatkan pusaran dari aliran push-pull sehingga terlihat pergerakan droplet melalui aliran push-pull. Pergerakan droplet disebabkan oleh pusaran aliran push-pull tersebut.  5. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyadari penyelesaian jurnal ini tidak terlepas dari bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, penulis menyampaikan terimakasih sebesar-besarnya kepada : 1. Allah SWT atas berkat, rahmat, dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini dengan aman, selamat, lancar, dan barokah. 2. Agus Juliono dan Hindun Jariyah selaku orang tua penulis yang telah membesarkan penulis, membiayai sekolah penulis, selalu memberikan banyak nasehat, semangat, doa, kasih sayang, dan materi yang tidak dapat penulis ucapkan satu persatu. 3. Bapak Burniadi Moballa, S.T., M.Sc., Ph.D., selaku Dosen Pembimbing I yang telah banyak memberi bimbingan, dukungan, saran dan arahan yang berharga selama pengerjaan jurnal. 4. Bapak Dr. Agung Purwana, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing II yang telah memberikan dukungan, bimbingan, saran dan masukkan selama pengerjaan jurnal ini. 5. Seluruh rekan Teknik Permesinan Kapal Angkatan 2019 yang selalu ada dan memberi dukungan, kritik, saran dan motivasi selama pengerjaan jurnal.  6. DAFTAR PUSTAKA [1]  Etkin, B., & McKinney, W. D. (1992). An air-curtain fume cabinet. American Industrial Hygiene Association Journal, 53(10), 625–631. https://doi.org/10.1080/15298669291360265  [2]  Gupta, J. K., Lin, C. H., & Chen, Q. (2009). Flow dynamics and characterization of a cough. Indoor Air, 19(6), 517–525. https://doi.org/10.1111/j.1600- 0668.2009.00619.x  [3] Huang, R. F., Lin, S. Y., Jan, S. Y., Hsieh, R. H., Chen, Y. K., Chen, C. W., Yeh, W. Y., Chang, C. P., Shih, T. S., & Chen, C. C. (2005). Aerodynamic characteristics and design guidelines of push-pull ventilation systems. Annals of Occupational Hygiene, 49(1), 1–15. https://doi.org/10.1093/annhyg/meh065  [4] Jasak, H. (2009). OpenFOAM: Open source CFD in research and industry. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 1(2), 89–94. https://doi.org/10.2478/ijnaoe-2013-0011   [5] Ribés, A., & Bruneton, A. (2014). Visualizing results in the SALOME platform for large numerical simulations: An integration of ParaView. IEEE Symposium on Large Data Analysis and Visualization 2014, LDAV 2014 - Proceedings, November, 119–120. https://doi.org/10.1109/LDAV.2014.7013218  [6] Sakharov, A. S., & Zhukov, K. (2020). Study of an Air Curtain in the Context of Individual Protection from Exposure to Coronavirus (SARS-CoV-2) Contained in Cough-Generated Fluid Particles. Physics (Switzerland), 2(3), 340–351. https://doi.org/10.3390/physics2030018   

Studi Numerik Pengaruh Sudut Kemiringan Push Nozzle pada Air Curtain Terhadap Pola Aliran Push-Pull Ventilation

http://journal.ppns.ac.id/index.php/cmea/article/download/2675/1760

Studi Numerik Pengaruh Sudut Kemiringan Push Nozzle pada Air Curtain Terhadap Pola Aliran Push-Pull Ventilation

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Kumpulan Jurnal dan Prosiding Elektronik PPNS (Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya - Pusat Penelitian dan Pengabdian Masyarakat, P3M)