𝜕 𝜕𝑡 𝜌𝑘 + 𝜕 𝜕𝑥𝑖 𝜌𝑘𝑢𝑖 = 𝜕 𝜕𝑥𝑗 𝛼𝑘𝜇eff 𝜕𝑘 𝜕𝑥𝑗 + 𝐺𝑘+ 𝐺𝑏− 𝜌𝜀 − 𝑌𝑀+ 𝑆𝑘 ...(7) dan 𝜕 𝜕𝑡 𝜌𝜀 + 𝜕 𝜕𝑥𝑖 𝜌𝜀𝑢𝑖 = 𝜕 𝜕𝑥𝑗 𝜇 +𝜇𝑡 𝜎𝑒 𝜕𝜀 𝜕𝑥𝑗 + 𝐶1𝑒 𝜀 𝑘 𝐺𝑘+ 𝐶3𝑒𝐺𝑏 − 𝐶2𝑒𝜌 𝜖2 𝑘 + 𝑆𝑒 ...(8) keterangan:
𝐺𝑘 : gradien kecepatan dalam energi kinetik turbulensi (m2 det-1) 𝐺𝑏 : bouyansi dalam energi kinetik turbulensi (m2 det-1)
𝐶1, 𝐶2, 𝐶3 : konstanta k-epsilon
membuat model k-epsilon sering digunakan pada simulasi aliran fluida dan perpindahan panas.
Pendekatan tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Kelebihan dari model turbulensi tersebut adalah relatif membutuhkan daya komputasi yang kecil karena hanya menggunakan satu hingga dua persamaan. Sementara kekurangan dari model tersebut adalah bahwa viskositas turbulen diasumsikan sebagai besaran
isotropic scalar (dimana hal tersebut tidak
sepenuhnya benar) (Fluent 2006).
Persamaan transport yang digunakan dalam model standar k-epsilon adalah turbulensi energi kinetik dan laju disipasi yang ditunjukkan oleh persamaan berikut:
viskositas turbulen (𝜇𝑡) diperoleh dari persamaan:
𝜇𝑡= 𝜌𝐶𝜇𝑘 2
𝜖
...(9) dimana (𝐶𝜇) adalah konstanta:
𝐶1𝑒 = 1,44 𝐶2𝑒 = 1,92 𝐶𝜇 = 0,09 𝜎𝑘 = 1,0 𝜎𝑒 = 1,3
2.8 Kondisi Lingkungan Gerbang Tol Bogor
Bogor merupakan salah satu kota yang sangat ramai dan memiliki jumlah penduduk yang cukup padat. Setiap akhir pekan Bogor menjadi salah satu alternatif terutama oleh penduduk Jakarta sebagai tempat untuk mengisi hari libur seperti untuk wisata kuliner, berkunjung ke outlet perbelanjaan maupun untuk bersilaturahmi dengan keluarga. Salah satu jalan memasuki kota Bogor adalah dengan melalui pintu tol bogor yang berlokasi di Baranangsiang. Sehingga lokasi tersebut bisa menjadi salah satu objek
kajian yang menarik dalam melakukan pendugaan kualitas udara.
Gerbang tol Bogor ini terletak pada 6.5°LS dan 106.8°BT dan dengan ketinggian 249,6m. Gerbang tol Bogor memiliki sembilan gardu tol yang terdiri dari empat gardu sebagai loket tiket dan empat gardu sebagai loket pembayaran serta satu gardu cadangan yang dapat berfungsi sebagai loket tiket maupun loket pembayaran. Gerbang tol ini aktif selama 24 jam dengan pergantian shift masing-masing gardu selama 8 jam. Berdasarkan data rekapan lalu lintas PT. Jasa Marga, volume lalu lintas yang memasuki kota Bogor setiap tahunnya mencapai 9 hingga 11 juta unit. Selain itu PT. Jasa Marga juga turut mengklasifikasikan jenis kendaraan yang dari lima golongan. Golongan tersebut ditetapkan sesuai dengan KEPMEN PU.No:514 TH. 2009 dan NO:02 Th. 2011.
III METODOLOGI 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Pengukuran dan pengambilan sampel dilakukan di pintu tol Bogor yang dikelola oleh pihak PT. Jasa Marga pada bulan Mei 2011. Selanjutnya analisis sampel parameter polutan dilakukan di Laboratorium Lingkungan Departemen BDP IPB pada bulan Mei-Juni 2011. Sementara penelitian dilakukan di Laboratorium Meteorologi dan Pencemaran Atmosfer IPB serta Laboratorium Aero Gasdinamika dan Getaran BPPT pada bulan Maret hingga Agustus 2011. Gambar lokasi penelitian terdapat pada Lampiran 1 dan 2.
3.2 Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang dibutuhkan selama penelitian adalah sebagai berikut:
Alat/Perangkat Keras
1 Personal Computer berbasis Windows dan Linux
2 Air Impinger 3 Termometer 4 Anemometer 5 Windvane 6 Spektrofotometer
7 Peralatan laboratorium kimia Bahan/Perangkat Lunak
1 Microsoft Office 2007 2 Software GAMBIT versi 2.4 3 Software Fluent versi 6.3 4 Larutan atau cairan kimia
Gambar alat dan bahan yang digunakan selama penelitian dapat terlihat pada Lampiran 3 dan 4.
3.3 Parameter Input
Parameter input yang digunakan dalam penelitian ini berupa data primer yaitu data fisik gardu tol, data konsentrasi polutan (CO) dan data meteorologi, dengan studi kasus gardu tol Bogor. Pengukuran dilakukan selama empat kali ulangan dengan masing-masing waktu pengukuran satu jam. Namun parameter input yang digunakan dalam simulasi hanya pada jam ke-1 dan jam ke-4. 3.3.1 Data Fisik Gardu Tol
Data ini meliputi volume gardu (panjang, lebar dan tinggi dalam satuan meter), jendela loket (panjang dan lebar dalam satuan meter), volume properti yang berada di dalam ruangan seperti kursi, meja, komputer, mesin, box, dan lain-lain. Kemudian pada penelitian ini digunakan dua tipe/variasi ukuran gardu tol yang terdiri atas Geometri A dan Geometri B. Perbedaan kedua geometri ini terletak pada besarnya volume gardu dan perbedaan letak outflow (data atau gambar kedua geometri ini terdapat pada Lampiran 5 dan 6).
3.3.2 Data Konsentrasi Polutan
Data pengukuran lapang yang digunakan adalah data primer berupa hasil pengukuran kualitas udara emisi CO pada gardu tol Bogor. Hasil kadar emisi CO tersebut diperoleh dengan menggunakan tabung Impinger . Pengukuran konsentrasi CO hanya dilakukan pada satu gardu tol saja yaitu gardu tol dengan ukuran dimensi (x, y, z) 3,5 m, 2,4 m, dan 1,4 m. Sementara itu, pengukuran dilakukan selama empat kali ulangan, dengan masing-masing waktu pengukuran selama satu jam. Namun data
yang disimulasikan pada CFD hanya pada jam ke-1 dan jam ke-4. (data hasil pengukuran terdapat pada Lampiran 7 dan 8). Kemudian, karakteristik kimia dari masing-masing fluida yang dapat dijadikan sebagai parameter input adalah densitas, viskositas, koefisien difusitas, konduktivitas panas (data tercantum pada Tabel 8).
3.3.3 Data Meteorologi
Simulasi dispersi CO yang dilakukan dalam penelitian ini menggunakan data meteorologi pada tanggal 15 Mei 2011 yang berlokasi di gardu 8 tol Bogor. Parameter yang digunakan antara lain suhu, arah dan kecepatan angin. Seluruh data meteorologi yang terukur dapat terlihat pada Lampiran 7 dan 8.
3.4 Data Volume Lalu Lintas
Prosedur pengambilan sampling volume lalu lintas dapat diperoleh melalui pihak PT. Jasa Marga. Sehingga dapat diperoleh perhitungan volume kendaraan akurat. Waktu pengukuran volume lalu lintas dilakukan selama empat kali per satu jam. Sementara itu data volume lalu lintas yang digunakan untuk melihat trend kenaikan volume lalu lintas per minggu adalah data dari bulan Januari hingga April 2011 (data selengkapnya terdapat pada Lampiran 9 dan 10). Sedangkan data volume lalu lintas yang digunakan untuk melihat trend kenaikan volume lalu lintas dalam kurun waktu 6 tahun terakhir adalah data dari tahun 2005 hingga 2010 (data dan grafik selengkapnya terdapat pada Lampiran 11 dan 12).
3.5 Analsis Kualitas Udara Ambien Karbon Monoksida (CO)
Metode yang digunakan dalam analisi kandungan karbon monoksida di udara adalah metode kurva kalibrasi dan pengujian contoh uji. Secara lengkap langkah-langkah yang digunakan dalam kedua metode tersebut diuraikan pada sub bab selanjutnya. 3.5.1 Kurva Kalibrasi
1 Mengoptimalkan alat spektrofoto- meter,
2 Memasukkan 25 mL larutan induk CO ke dalam labu labu 100 mL dan ditepatkan dengan aquades,
3 Menyiapkan tabung uji 10 mL, lalu pipet 0 mL, 0,2 mL, 0,4 mL, 0,6 mL, 0,9 mL larutan standar Iod,
4 Menambahkan larutan penyerap sampai pada volume 10 mL dan dihomogenkan,
5 Mengukur masing-masing larutan standar dengan spektrofotometer pada panjang gelombang 420 nm. 3.5.2 Pengujian contoh uji
Memasukkan larutan contoh uji ke dalam kuvet pada alat spektrofotometer, lalu menguku nilai absorban pada panjang gelombang 420 nm.
3.6 Metode Penelitian (Simulasi CFD) Pada penelitian ini simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak GAMBIT 2.4 dan FLUENT 6.3. Secara lengkap langkah penelitian yang dilakukan dalam kedua metode tersebut diuraikan pada sub bab selanjutnya.
3.6.1 Langkah pada GAMBIT
Tahapan dalam pembuatan desain geometri adalah sebagai berikut:
1. Membuat Geometri Gardu Tol
Geometri digambar dengan menggunakan GAMBIT sesuai dengan domain dan boundary condition yang diperlukan selama proses simulasi berlangsung. Penggambaran geometri yang dilakukan meliputi dinding, lantai, atap, saluran Inlet dan outlet, serta properti yang berada dalam ruangan. Pemodelan geometri ini terdiri dari dua variasi gardu tol yang berbeda ukuran. Berikut merupakan dua variasi ukuran geometri (gardu tol) yang digunakan dalam penelitian:
Geometri A
Model geometri yang pertama berbentuk gardu berdimensi (x, y, z) dengan ukuran 2,5 m, 2,4 m, dan 1,4 m dan letak Outflow berada pada sumbu x. Bentuk Geometri A dapat terlihat pada Gambar 3.
Gambar 3 Geometri (gardu tol) variasi A.
Gambar desain geometri dari berbagai sudut pandang lainnya terdapat pada Lampiran 13. Geometri B
Model geometri yang kedua berbentuk gardu berdimensi (x, y, z) dengan ukuran 3,5 m, 2,4 m, dan 1,4 m dan letak Outflow berada pada sumbu z. Bentuk Geometri B dapat terlihat pada Gambar 4.
Gambar 4 Geometri (gardu tol) variasi B.
Gambar desain geometri dari berbagai sudut pandang lainnya terdapat pada Lampiran 14. 2. Melakukan subtraksi
Substraksi yang dilakukan adalah dengan mengurangi volume gardu keseluruhan dengan properti yang berada dalam ruangan. Sehingga properti tersebut tidak menghalangi aliran fluida yang terjadi. 3. Memeriksa mesh
Setelah membuat geometri, langkah berikutnya adalah melakukan pembagian objek menjadi bagian-bagian kecil atau
meshing. Ukuran mesh yang terdapat pada
suatu objek akan mempengaruhi ketelitian analisis CFD yang akan dilakukan. Semakin kecil ukuran mesh maka hasil yang didapatkan akan semakin teliti, tetapi membutuhkan daya komputasi dan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan objek yang memiliki ukuran mesh lebih besar.
Gambar 6 Mesh pada Geometri B.
Pada penelitian ini ukuran mesh yang digunakan adalah sebesar 0,05 m. Mesh pada penelitian ini terdiri atas mesh face dan mesh
volume. Gambar mesh yang terbentuk pada
masing-masing geometri dapat terlihat pada Gambar 5 dan 6.
3.6.2 Langkah pada Fluent
Pada Fluent, data yang akan dimasukkan ke dalam membutuhkan beberapa tahapan sebagai berikut:
1. Memilih Solver
Pada penelitian ini solver yang digunakan adalah solver 3D. Solver tersebut memiliki presisi tunggal atau presisi ganda. 2. Mengekspor dan Mengecek Grid
Grid yang telah dibuat sebelumnya oleh GAMBIT harus diekspor ke dalam bentuk
mesh file sehingga Fluent dapat melakukan
pengecekan terhadap kesalahan grid atau sebaliknya.
3. Mendefinisikan domain
Pada tahap ini ditentukan fluida yang akan digunakan, tipe aliran, kondisi batas, material penyusun gardu tol dan kondisi operasional yang akan diasumsikan. Berikut beberapa tahap yang dilakukan dalam pendefinisian:
Memilih solver
Pada penelitian ini formulasi solver yang digunakan adalah Pressure Based Solver. Keterangan: - Solver : pressure-based - Space : 3D - Velocity formulation : absolute - Time : stady - Gradient
option : green gauss cell based - Porous
formulation : superficial velocity
Menentukan model dan persamaan dasar Model dan persamaan dasar yang terdapat pada Fluent harus ditentukan
sesuai dengan permasalahan yang akan dianalisis. Beberapa persamaan dan model yang digunakan dalam penelitian ini adalah viskositas (k-epsilon), transpor spesies dan perpindahan panas secara konveksi. Model k-epsilon merupakan model turbulensi yang cukup lengkap dengan dua persamaan yang memungkinkan kecepatan turbulen dan skala panjang dan ditentukan secara independen. Kestabilan ekonomis (dari sisi komputasi) dan akurasi yang memadai untuk berbagai jenis aliran turbulen membuat model k-epsilon sering digunakan pada simulasi aliran fluida dan perpindahan panas. Nilai karakteristik udara dan CO yang dimasukkan dapat terlihat pada Tabel 10.
Sementara keterangan model dan persamaan dasar yang digunakan pada Fluent adalah sebagai berikut:
Persamaan viskositas - Model : k-epsilon - k-epsilon : standard - Near-wall
Treatment : standard wall function
Persamaan energi
Persamaan transpor spesies Jam ke-1
- Model : spesies transport - Mixture
species : CO dan udara - Density : incompressible ideal gas - Cp : mixing law - Thermal conductivity : 0,0242 - Viscosity : 1,89x105 - Mass - Diffusivity : 3,42x105 Jam ke-4
- Model : spesies transport - Mixture
species : CO dan udara - Density : incompressible ideal gas - Cp : mixing law - Thermal conductivity : 0,0241 - Viscosity : 1,90x105 - Mass - Diffusivity : 3,45x105 - Menentukan kondisi operasi
Kondisi operasi yang ditentukan adalah tekanan STP sebesar 1 atm,
Tabel 8 Karakteristik fluida
Parameter Jam ke-1 Jam ke-4
Suhu Kamar (K) 302.1 300.6
Density ρ (kg/m³) 1.1146557 1.1201564
Dynamic Viscosity µ (N.s/m²) 1.892E-05 1.901E-05
Thermal Conductivity W/mK 0.0241627 0.0241033
Specific Heat Capacity kJ/kg.K 1.0400827 1.0400233
Koeffisien Diffusitas m²/s 3.419E-05 3.448E-05
- Menentukan material
Fluida yang digunakan dalam penelitian ini adalah udara dan karbon monoksida atau CO pada kondisi STP dan dengan masing-masing karakteristik fisik yang berbeda (data selengkapnya terdapat pada Lampiran 7). Menentukan Kondisi Batas
Penentuan kondisi batas didasarkan pada masing-masing variabel dalam domain Geometri Beberapa kondisi batas yang digunakan pada kasus ini adalah Velocity
Inlet, Outflow dan Wall. Berikut merupakan
nilai input Fluent yang tersaji pada Tabel 8. Velocity Inlet
Merupakan kondisi batas yang digunakan untuk mendefinisikan kecepatan aliran dan besaran skalar lainnya pada sisi masuk aliran. Velocity yang dimaksud dalam kasus ini adalah jendela transaksi pada gardu tol. Keterangan yang dimasukkan dalam tipe ini adalah sebagai berikut:
Jam ke-1 Momentum
Velocity
specification
method : components
Reference frame : absolute X-velocity ( m/s) : 0,5 Y-velocity ( m/s) : 0,0 Z-velocity ( m/s) : 0,5 Turbulence
- Specification
method : intensity and
hydraulic diameter - Turbulance intensity (%) : 10 - Hydraulic diameter (m) : 0,667 Termal Suhu (K) : 302 Spesies Fraksi massa CO : 0,0000075 Jam ke-4 Momentum Velocity specification method : components
Reference frame : absolute X-velocity ( m/s) : 0,2 Y-velocity ( m/s) : 0,0 Z-velocity ( m/s) : 0,2 Turbulence
- Specification
method : intensity and
hydraulic diameter - Turbulance intensity (%) : 10 - Hydraulic diameter (m) : 0,667 Termal Suhu (K) : 300.6 Spesies Fraksi massa CO : 0,000068 Outflow
Merupakan kondisi batas yang digunakan sebagai sisi aliran keluar. Pada penelitian ini hanya terdapat satu Outflow yaitu Heat
Ventilating Air Conditioning atau HV-AC
sehingga nilai flow rate weighting adalah 1. Wall
Merupakan kondisi batas yang digunakan sebagai dinding untuk aliran fluida dalam saluran dan juga sebagai pembatas antara daerah fluida (cair dan gas) dan padatan, seperti meja, mesin tiket, komputer, kursi, dan seluruh benda berbentuk padat lainnya. 4. Solusi kontrol
Setelah melakukan proses pendefinisian perlu dilakukan penentuan terhadap kriteria solusi kontrol. Nilai yang dimasukkan ke dalam proses tersebut yaitu sebagai berikut: Jam ke-1
Pressure velocity coupling : SIMPLE Under Relactation Factor
Pressure : 0,3
Body force : 0,5
Momentum : 0,4
Modified turbulent viscosity : 0,3 Turbulent viscosity : 0,3 Turbulent dissipation rate : 0,3
CO : 0,5
Energi : 0,5
Jam ke-4
Pressure velocity coupling : SIMPLE Under Relactation Factor
Pressure : 0,2
Density : 0,2
Body force : 0,2
Momentum : 0,1
Modified turbulent viscosity : 0,09 Turbulent viscosity : 0,09 Turbulent dissipation rate : 0,09
CO : 0,3
Energi : 0,5
Diskretisasi pada jam ke-1 dan jam ke-4 Pressure :second order upwind Momentum :second order upwind Modified
turbulent
viscosity :second order upwind CO :second order upwind Energi : first order upwind 5. Inisialisasi medan aliran
Inisialisasi adalah hipotesa awal pada kondisi batas saat memulai perhitungan. Sebelum memulai perhitungan atau menjalankan program, hal yang harus dilakukan terlebih dahulu adalah dengan melakukan inisialisasi. Pada penelitian ini, kondisi batas yang diinisialisasi adalah jendela Inlet.
6. Melakukan iterasi
Pada proses perhitungan harus ditentukan terlebih dahulu kriteria konvergensi kasus yang akan dihitung. Kriteria konvergensi adalah kesalahan atau perbedaan antara dugaan awal dan hasil akhir dari iterasi yang dilakukan berdasarkan persamaan yang digunakan.
7. Hasil tampilan simulasi
Hasil akhir yang dapat ditampilkan dapat berupa kontur, vektor, pathline serta plot XY. Pada penelitian ini visualisasi output akan ditampilkan dalam bentuk kontur 3D. Diagram alir penelitian pada Langkah GAMBIT dan Fluent dapat terlihat pada Lampiran 15.
3.7 Asumsi yang digunakan pada Model Penelitian ini memiliki berbagai keterbatasan sehingga perlu digunakan beberapa asumsi diantaranya ;
Simulasi dilakukan pada kondisi steady
state,
Data kosentrasi polutan yang teukur pada Geometri B diasumsikan sama dengan Geometri A.
IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Kondisi Kepadatan Lalu Lintas
Gerbang Tol
Gerbang tol Bogor merupakan salah satu bagian gerbang tol Jagorawi yang dikelola oleh PT. Jasa Marga. Gerbang tol Bogor memiliki sembilan gardu tol yang terdiri dari empat gar-du sebagai loket tiket (Entrance) dan empat gardu sebagai loket pembayaran (Exit) serta satu gardu cadangan yang dapat berfungsi sebagai loket tiket maupun loket pembayaran (Entrance/ Exit). Berdasarkan data rekapan lalu lintas PT. Jasa Marga, total volume lalu lintas yang memasuki kota Bogor setiap tahunnya mencapai 9 hingga 11 juta unit dari gerbang tol Bogor (data dapat terlihat pada Lampiran 11). Sementara rata-rata jumlah kendaraan yang melewati satu gardu tol per satu jam adalah sebanyak 270 unit.
Pada Gambar 7 dapat terlihat bahwa terjadi fluktuasi jumlah kendaraan bermotor yang memasuki kota Bogor dari tahun 2005 hingga 2010. Pada tahun 2006 hingga 2009, trend jumlah kendaraan yang masuk ke kota Bogor melalui gerbang tol Bogor terus mengalami peningkatan, tetapi mengalami penurunan kembali pada tahun 2010. Pembukaan tol dalam kota untuk wilayah Sentul Barat merupakan salah satu penyebab jumlah kendaraan menurun pada gerbang tol Bogor tahun 2010. Hal ini dikarenakan gerbang tol tersebut digunakan sebagai jalan tol alternatif menuju kota Bogor.
Gambar 7 Jumlah kendaraan bermotor/tahun pada gerbang tol Bogor (2005-2010).
