MAKALAH BOUSSINESQ

8/19/2019 MAKALAH BOUSSINESQ

http://slidepdf.com/reader/full/makalah-boussinesq 1/48

ANALISIS DISTRIBUSI TEMPERATUR DAN ALIRAN UDARA PADA

INKUBATOR BAYI DENGAN VARIASI TIPE DINDING DAN

OVERHEAD SCREEN

Oleh :

Ruri Agung Wahyuono1), Ridho Hantoro2), Gunawan Nugroho 3)

Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri

ITS Surabaya Indonesia 60111, email: [email protected]),

[email protected]), [email protected])

MAKALAH PENELITIAN

Disusun ulang oleh:

Oxtavi Hardaningrum 140710120002 Angkatan 2012

Rahma Andini Pratiwi 140710120018 Angkatan 2012

Willy Aftika 140710120024 Angkatan 2012

Ilma Danandika Dimawani 140710120026 Angkatan 2012

Firsta Arianty Kamandika 140710120040 Angkatan 2012

Aditya Hadji Djafar 140710120042 Angkatan 2012

PROGRAM STUDI GEOFISIKA

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PADJADJARAN

JATINANGOR

2014



i

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami haturkan ke hadirat Tuhan YME, karena dengan karunia-

Nya kami dapat menyelesaiakan makalah penelitian yang berjudul “Analisis

Distribusi Temperatur dan Aliran Udara pada Inkubator Bayi dengan Variasi Tipe

Dinding dan Overhead Screen”. Meskipun banyak hambatan yang kami alami

dalam proses pengerjaannya, tapi kami berhasil menyelesaikan makalah ini tepat

pada waktunya. Tidak lupa kami sampaikan terimakasih kepada dosen pengampu

mata kuliah Dinamika Fluida Geofisika yang telah membantu dan membimbing

kami dalam mengerjakan makalah penelitian ini. Kami juga mengucapkanterimakasih kepada teman-teman mahasiswa yang juga sudah memberi kontribusi

baik langsung maupun tidak langsung dalam pembuatan makalah penelitian ini.

Tentunya ada hal-hal yang ingin kami berikan kepada masyarakat dari hasil

penelitian ini. Karena itu kami berharap semoga makalah ini dapat menjadi sesuatu

yang berguna bagi kita bersama. Penulis menyadari bahwa dalam menyusun

makalah penelitian ini masih jauh dari kesempurnaan, untuk itu penulis sangat

mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun guna sempurnanya

makalah ini. Penulis berharap semoga makalah ini bisa bermanfaat bagi penulis

khususnya dan bagi pembaca pada umumnya.

Jatinangor, Juni 2014

Penyusun



ii

DAFTAR ISI

Kata Pengantar ................................................................................................... i

Daftar Isi ............................................................................................................. ii

Abstrak ............................................................................................................... 1

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ................................................................................ 2

1.2 Identifikasi Masalah ........................................................................ 3

1.3

Maksud dan Tujuan Penelitian ........................................................ 3

1.4 Kegunaan Penelitian ........................................................................ 3

1.5 Metode Penelitian ............................................................................ 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................ 5

BAB III METODE PENELITIAN...................................................................... 19

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1

Hasil ................................................................................................ 29

4.2

Pembahasan ..................................................................................... 37

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1

Kesimpulan ...................................................................................... 42

5.2 Saran ............................................................................................... 42

Daftar Pustaka ................................................................................................... 43



1

ANALISIS DISTRIBUSI TEMPERATUR DAN ALIRAN UDARA PADA

INKUBATOR BAYI DENGAN VARIASI TIPE DINDING DAN

OVERHEAD SCREEN

ABSTRAK

Modifikasi bentuk inkubator seperti penambahan overhead screen dan dinding

ganda mempengaruhi tingkat kenyamanan termal ruang inkubator bayi. Penelitian

ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh modifikasi tersebut terhadap distribusi

temperatur dan kehilangan panas pada bayi. Penelitian ini berbasis Computational

Fluid Dynamics (CFD) dan berdasarkan data pengukuran dari penelitian

sebelumnya. Hasil simulasi terverifikasi dengan data pengukuran dan hasil penelitian secara eksperimen yang memiliki tren kehilangan panas konveksi dan

radiasi identik. Berdasarkan hasil simulasi, inkubator dinding ganda memiliki

kehilangan panas total yang lebih rendah dibandingkan inkubator dinding tunggal

yaitu 8 – 10 Watt dan temperatur rata-rata ruang inkubatornya juga lebih rendah 0,2

– 0,3 oC dari nilai temperatur yang diharapkan. Pada inkubator dinding tunggal,

penambahan overhead screen menyebabkan temperatur ruang lebih rendah 0,3 –

0,5 oC dari nilai yang diharapkan dan menurunkan kehilangan panas total hingga 9

Watt. Sedangkan pada inkubator dinding ganda, penambahan overhead screen

menurunkan temperatur ruang hingga 1,07 oC dan menyebabkan kehilangan panas

total meningkat 2 – 5 Watt.

Kata kunci: Inkubator, Tipe dinding, Overhead screen , Kehilangan panas

total, CFD.

ABSTRACT

Modified forms of incubators such as the addition of an overhead screen and double

wall affects the thermal comfort level of baby incubator. This study aimed to

analyze the effect of these modifications on the temperature distribution and heat

loss in the baby. This research-based on Computational Fluid Dynamics (CFD)

and based on measurement data from previous studies. The simulation results

verified with measurement data and the results of experimental studies have a

convection and radiation heat loss in trend. Based on simulation results, the double

wall incubators have lower total heat loss than the single wall incubator 8-10 Watt

and the average temperature of the incubator is also from 0.2 to 0.3 ° C from the

expected value of the temperature. In a single wall incubator, adding overhead

screen causes a lower room temperature from 0.3 to 0.5 ° C from the expected value

and lowering the total heat loss of up to 9 watts. While the double wall incubator,

adding overhead screen lowered the temperature up to 1.07 ° C and causes the total

heat loss increased about 2-5 Watt.

Keywords: I ncubator , Type of Wall , Overhead Screen, Total Heat Loss, CFD.



2

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Permasalahan kesehatan pada bayi baru lahir (postnatal) menjadi

penyebab tingginya angka kematian bayi prematur. Perawatan pada bayi

membutuhkan kondisi lingkungan temperatur netral (Neutral Temperature

Environment, NTE). Inkubator merupakan ruang perawatan bagi bayi baru

lahir dengan berat lahir lebih rendah dari berat bayi normal. Peran inkubator

sangat vital dalam upaya awal perawatan pada bayi. Rata-rata inkubator bayi

yang ada di Indonesia merupakan inkubator dengan geometri sederhana

berdinding kaca atau akrilik lapis tunggal. Kondisi ini dikarenakan pada

inkubator berdinding tunggal, aliran udara dikenakan langsung pada bayi

melalui ventilasi di dalam ruang inkubator untuk itu mulai dikembangkan

inkubator menggunakan dinding berlapis ganda dimana aliran udara panas

dialirkan diantara kedua dinding tersebut. Modifikasi ini terbukti memilikikeuntungan yaitu mengurangi kehilangan panas evaporatif berlebih,

mengurangi produksi panas, dan mengurangi kehilangan panas radiatif

dibandingkan inkubator dengan dinding lapis tunggal. Cara lain untuk

mengurangi kehilangan panas pada inkubator berdinding tunggal adalah

menambahkan overhead screen di dalam inkubator yang dapat mengurangi

kecepatan aliran udara dari dinding atas inkubator menuju tubuh bayi dan

mengurangi laju kehilangan panas evaporatif. Penelitian tentang masalah

distribusi temperatur dan kehilangan panas pada bayi baru lahir yang dirawat

di dalam inkubator penting dilakukan. Pada penelitian ini dilakukan

identifikasi pengaruh modifikasi tipe dinding dan penambahan overhead

screen inkubator terhadap distribusi temperatur ruang inkubasi dan

kehilangan-kehilangan panas pada tubuh bayi berat lahir rendah dengan

merujuk geometri dan dimensi inkubator yang umumnya ada pada Neonatal

Intensive Care Unit (NICU) di Indonesia.



3

1.2 Identifikasi Masalah

Pada penelitian ini dilakukan identifikasi masalah bagaimana pengaruh

modifikasi tipe dinding dan penambahan overhead screen inkubator terhadap

distribusi temperatur ruang inkubasi dan kehilangan-kehilangan panas pada

tubuh bayi dengan berat lahir lebih rendah dengan merujuk geometri dan

dimensi inkubator yang umumnya ada pada Neonatal Intensive Care Unit

(NICU) di Indonesia.

1.3 Maksud dan Tujuan penelitian

Maksud dari penelitian ini adalah melakukan modifikasi geometri

inkubator seperti penambahan overhead screen dan pemberian dinding ganda

untuk meningkatkan kenyamanan termal ruang inkubator bayi baru lahir

dengan berat lahir yang lebih rendah dari bayi normal lainnya, dengan tujuan:

1. Mengetahui pengaruh penambahan dinding dalam pada inkubator

dinding tunggal yang menyebabkan penurunan temperatur rata-rata

ruang inkubator dan kehilangan panas pada tubuh bayi.

2. Menganalisis pengaruh penambahan overhead screen pada inkubator

dinding tunggal dan inkubator dinding ganda yang menyebabkan

penurunan temperatur rata-rata ruang dan menyebabkan kehilangan

panas total.

3. Mengetahui peran inkubator dinding tunggal dan dinding ganda sebagai

model inkubator dengan distribusi temperatur dan aliran udara yang

dapat menyebabkan kehilangan panas total sehingga mendukung

tercapainya kondisi neutral temperature environment bagi bayi.

1.4 Kegunaan penelitian

Penelitian ini berguna untuk mengetahui pengaruh tipe dinding dan

penambahan overhead screen terhadap distribusi temperatur dan kehilangan

panas pada bayi.



4

1.5 Metode Penelitian

Proses penelitian ini menggunakan simulasi Computational Fluid

Dynamics (CFD). Model turbulensi yang digunakan adalah persamaan

Reynold-Average Navier-Stokes (RANS). Model turbulensi RANS k-omega

SST (Shear-Stress Transport) digunakan dalam simulasi ini karena bilangan

Reynold aliran udara di dalam inkubator sangat rendah.



5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Termoregulasi pada Bayi Berat Lahir Rendah

Bayi berat lahir rendah (BBLR) merupakan bayi yang lahir dengan

berat badan kurang dari atau sama dengan 2,5 kg. Secara umum, BBLR dapat

dikelompokkan menjadi prematuritas dan dismaturitas. Prematuritas adalah

bayi dengan masa kehamilan kurang dari 37 minggu dan berat badan sesuai

dengan berat badan untuk usia kehamilannya. Sedangkan dismaturitas adalah

bayi dengan berat badan kurang dari berat badan yang seharusnya untuk usia

kehamilannya [16]. Termoregulasi pada BBLR merupakan suatu pengaturan

fisiologis tubuh mengenai keseimbangan produksi panas dan kehilangan

panas sehingga temperatur tubuh dapat dipertahankan secara konstan. Tujuan

utama termoregulasi adalah mengendalikan lingkungan untuk

mempertahankan tercapainya kondisi lingkungan temperatur netral dan

meminimalkan pengeluaran energi [2]. Mekanisme termo-regulasi sangat penting bagi bayi baru lahir (neonates) karena mekanisme pengaturan panas

yang tidak sempurna akan meningkatkan risiko bayi terkena hipotermia dan

hipertemia terutama jika mengalami stress. Terutama pada bayi berat lahir

rendah, karena organ-organ tubuhnya belum terbentuk sempurna maka sangat

rentan terhadap permasalahan termal tubuh bayi.

2.2 Moda Kehilangan Panas pada Bayi

Pada saat lahir, kehilangan panas pada BBLR sangat besar melebihi

kemampuan produksi panas yang minimal, sehingga menyebabkan tidak

tercapainya keseimbangan termal tubuh bayi. Pada Gbr. 1 ditunjukkan

perbedaan produksi panas pada bayi baru lahir normal dengan bayi berat lahir

rendah pada umur 1 – 7 hari pasca kelahiran.



6

Gbr. 1. Produksi panas oleh bayi pada lingkungan yang hangat selama satu

minggu usia pasca kelahiran [9]

Berdasarkan gambaran tersebut maka produksi panas pada tubuh bayi

merupakan fungsi massa dan umur bayi. Produksi panas pada tubuh bayi

berdasarkan pendekatan empiris dirumuskan sebagai berikut [15]:

0,0522 + 1,64 (1)

dengan m adalah massa bayi dalam kg dan p adalah umur bayi dalam satuan

hari. Mekanisme atau moda kehilangan panas pada bayi berat lahir rendah

meliputi konduksi, konveksi, evaporasi, dan radiasi [17].

1. Konduksi

Konduksi didefinisikan sebagai perpindahan energi dari molekul-

molekul dari tubuh ke molekul-molekul dari objek solid yang

bersentuhan langsung dengan tubuh. Bayi yang dibaringkan di atas

matras diperkirakan 10% permukaan tubuhnya berkontak langsungdengan matras. Aliran panas melalui matras oleh konduksi termal

diberikan pada persamaan berikut :

(2)

dengan Qcond adalah aliran panas konduksi (W), k adalah konstanta

konduktivitas termal untuk matras (W m-1 K -1), A adalah luas

permukaan konduktif yang dilalui aliran panas (m2), dan dT/dx adalah

gradien temperatur terhadap jarak kontak pada matras.



7

2.

Konveksi

Konveksi adalah perpindahan energi termal dari molekul-

molekul tubuh bayi ke molekul-molekul dari udara yang berdekatan dan

disebabkan beberapa variabel meliputi posisi bayi (tertekuk atau lurus),

luas permukaan tubuh, berat badan, temperatur dan arus udara pada

inkubator, serta keadaan kulit epidermis bayi. Kehilangan panas

konveksi ini dirumuskan sebagai berikut:

ℎ ∆ (3)

dengan Qconv adalah aliran panas konveksi (W), h adalah konstanta

konveksi termal (W m-2 K -1), A adalah luas permukaan konveksi yang

dilalui aliran panas (m2), dan ∆T adalah perbedaan temperatur (K).

3. Radiasi

Kehilangan panas akibat radiasi didefinisikan sebagai laju total

kehilangan panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik antara

tubuh dan permukaan lingkungan yang tidak bersentuhan dengan tubuh

misalnya dinding inkubator. Kehilangan panas akibat radiasi tergantung

pada beberapa faktor, termasuk temperatur kulit, permukaan relatif dan

geometri bagian tubuh terkena radiasi, jarak dan sudut ke objek iradiasi,

emisivitas kulit bayi, dan emisivitas objek iradiasi.

4.

Evaporasi

Evaporasi merupakan perpindahan panas total oleh energi

terbawa pada molekul-molekul air dari permukaan kulit dan saluran

respirasi ke udara lingkungan yang lebih kering. Besarnya evaporasi

dipengaruhi umur kehamilan bayi serta umur pasca kelahiran dan

perbedaan antara tekanan parsial uap air sekitar permukaan kulit bayi

dan udara lingkungan. Kehilangan panas evaporasi dirumuskan sebagai

berikut [15]:

ℎ (4)

dengan Qevp adalah aliran panas evaporasi (W), mv adalah laju

evaporasi (kg/s), dan hfg adalah entalpi penguapan air (kJ/kg).



8

2.3 Kenyamanan Termal di Dalam Inkubator Bayi

Secara umum, Peter Hoppe [18] memaknai kenyamanan termal dengan

tiga pendekatan yaitu pendekatan thermophysiological, pendekatan

keseimbangan panas, dan pendekatan psikologis. Pendekatan keseimbangan

panas digunakan untuk menyatakan kenyamanan termal bayi di dalam

inkubator. Kenyaman termal dicapai apabila aliran panas ke dan dari badan

bayi seimbang dan temperatur kulit serta tingkat berkeringat badan ada dalam

rentang nyaman. Variabel-variabel yang menentukan kenyamanan termal

adalah variabel personal dan variabel iklim ruang. Variabel personal yang

meliputi laju metabolisme yang diwujudkan dalam variabel aktivitas dan laju

insulasi pakaian yang diwujudkan dalam variabel cara berpakaian. Variabel

iklim ruang meliputi temperatur udara, temperatur radiasi rata-rata,

kelembaban udara relatif; dan pergerakan udara atau kecepatan angin.

Kelembaban relatif yang diijinkan dalam inkubator bayi adalah 50 – 60 %.

Sedangkan untuk nilai-nilai temperatur untuk perkembangan bayi dalam

inkubator telah distandarkan oleh WHO seperti pada tabel berikut.

TABEL I

REKOMENDASI TEMPERATUR PADA INKUBATOR SESUAI USIA

[17]

Berat Badan

Bayi

Temperatur Inkubator Sesuai Usia Pasca Kelahiran

° C ° C ° C ° C

< 1,5 kg 1 – 10 hari 11 hari – 3

minggu

3 – 5

minggu

> 5 minggu

1,5 – 2,0 kg 1 – 20 hari 11 hari – 4

minggu

> 4 minggu

2,1 – 2,5 kg 1 – 2

bulan

3 hari – 3

minggu

> 3 minggu

> 2,5 kg 1 – 2 hari > 2 hari



9

Pada kasus tertentu, inkubator bayi berdinding tunggal, temperatur

inkubator ditingkatkan 1oC setiap perbedaan temperatur 7oC antara ruangan

dan inkubator (WHO 2008).

2.4 Pemodelan Perpindahan Panas dan Massa pada Bayi

Pada pemodelan perpindahan panas dan massa setidaknya memenuhi

persamaan konservasi energi, momentum, dan massa (kontinuitas). Model-

model matematis yang merepresentasikan proses fisis perpindahan panas dan

massa dijelaskan sebagai berikut [20].

1.

Persamaan Energi

Persamaan energi secara umum dinyatakan dengan persamaan

berikut:

+∇.( + ) ∇ . ( ∇ ∑ ℎ ) +∇.( .)+ (5)

dengan keff adalah konduktivitas efektif yang besarnya sama dengan

k + kt (kt adalah konduktivitas termal akibat adanya turbulensi aliran

fluida), dan

adalah fluks panas akibat difusi spesies j. Tiga suku

pertama pada ruas kanan (5) berturut-turut merepresentasikan

perpindahan energi akibat konduksi, difusi spesies, dan disipasi

viskositas. Sedangkan Sh merupakan panas yang dihasilkan oleh reaksi

kimia dan sumber panas lain.

Pada area padatan (tubuh bayi), persamaan perpindahan energi

dinyatakan dalam bentuk:

ℎ + ∇. ℎ ∇. ∇ +

(6)

dengan adalah densitas padatan, h adalah entalpi sensibel, k adalah

konstanta konduktivitas bayi, T adalah temperatur padatan, dan Sh

dalah sumber panas volumetrik. Suku kedua pada ruas kiri persamaan

tersebut merepresentasikan perpindahan energi secara konveksi oleh

pergerakan rotasi dari bayi. Ruas kanan persamaan energi tersebut

merupakan fluks panas akibat konduksi dan sumber panas volumetrik

dari tubuh bayi. Apabila tidak terdapat reaksi kimia yang melibatkan



10

spesies tertentu, maka semua suku – suku pada (5) dan (6) yang

diakibatkan fraksi spesies dapat diabaikan.

Dengan demikian perhitungan numerik untuk analisis

perpindahan panas dapat disederhanakan sebagai berikut:

∇∇ (7)

dengan T adalah temperatur (K), k adalah konduktivitas termal (W/m

K), adalah densitas (kg/m3), c adalah kalor jenis (W/kg.K), dan t

adalah waktu (s). Turunan dari ruas kanan (7) merupakan turunan total

dari: + + + + .∇ (8)

dengan ux, uy, dan uz adalah komponen kecepatan dari vektor

kecepatan u (m/s) pada arah x, y, dan z. Oleh karena analisis dilakukan

pada keadaan tunak, maka suku pertama pada (8) dapat dihilangkan.

2.

Persamaan kontinuitas dan momentum

Persamaan (7) dan (8) dapat dikomplemenkan dengan persamaan

kontinuitas dan momentum berikut ini [17].∇ . 0 (9)

∇ + ∇ (10)

dengan p adalah tekanan (N/m2), F adalah gaya pada tubuh bayi.

Gbr. 2. Geometri dan arah model bayi di dalam inkubator.



11

Pada kasus ini hanya terdapat gaya pada komponen vertikal Fz

sebesar

g pada sumbu z (lihat Gbr. 2), g adalah percepatan gravitasi

(m/s2), dan µ adalah viskositas dinamik (N s/m2).

2.5 Persamaan Boussinesq

Persamaan Boussinesq untuk aliran berlapis (misalnya lapisan atmosfir

atau laut) mengasumsikan bahwa aliran fluida itu mampat namun

mengalirkan secara konveksi sejumlah difusi yang membawa cairan dengan

daya apung positif atau negatif. Kuantitas apung ini diidentifikasi dengan

fungsi linear dari penyimpangan suhu atau densitas dari keseimbangan

hidrostatik adiabatik.

1. Defisini dari Kuantitas

2.

Hukum Kesetimbangan

Untuk menurunkan persamaan persamaan ini, kita mulai dengan

menuliskan persamaan kesetimbangan untuk massa, momentum, dan

energy panas.

a. Kekekalan Massa

+ ∇ . 0 , ∇.



12

Pendekatan persamaan Boussinesq mengasumsikan bahwa

∇ . ≃ 0

b. Kekekalan Momentum

∇ + ∇ . σ

Dimana tensor tegangan viskos dinyatakan oleh ∇ . +∇ + ∇ dengan −3 serta mengasumsikan bahwa

∇ ≃ 0 , ∇ ≃ 0dan

∇ . ≃ 0, maka persamaan diatas dapat

disederhanakan menjadi :

≃ ∇ + ∇

c. Energi Panas

Keseimbangan dari energy panas dapat ditulis :

: ∇ ∇ .

dimana + dan untuk memperoleh persamaan ini, maka

persamaan kesetimbangan panas ditulis menjadi

+ 2 ∇ . . ∇ .

lalu kurangi dengan persamaan kesetimbangan energy kinetik ( u

dot momentum ) :

2 ∇ . .

Dalam persamaan kesetimbangan energy panas, kita

mengabaikan tegangan viskos , maka persamaan menjadi

+ ∇ . ∇ .

Sekarang kita dapat menyederhanakan persamaan.

Persamaan bagian kiri menggunakan persamaan gas ideal dan menjadi :

dan menggunakan

l n + l n



13

∇ . ln

lnln

l n

maka sisi kiri menjadi

+ ⏟−

Dan untuk menyederhanakan bagian kanan, maka kita

asumsikan ∇ dan ∇ ~ 0, maka didapatkan :

~ + ∇

~ + ∇, dimana ≔

kita gunakan ∇ ~ 0

3. Kesetimbangan Hidrostatik

Sebuah cairan berlapis dikatakan dalam kesetimbangan

hidrostatik jika saat dia istirahat (u = 0) dan variabel cairannya hanyafungsi ketinggian z. Maka , , , 0 menjadi variabel

atmosfir saat sedang dalam kesetimbangan hidrostatik. Kekekalan

momentum hanya menyatakan atmosfir dalam keseimbangan

hidrostatik, ia harus memenuhi keseimbangan kekuatan statis tekanan

dan gaya gravitasi:

4.

Kesetimbangan Hidrostatik AdiabatikSebuah kesetimbangan hidrostatik dikatakan stabil jika untuk

setiap volume uji dipilih dari setiap tingkat kolom cairan, jika kita

mengangkutnya ke tingkat cairan yang lain dan secara adiabatik

mengubah tekanan untuk menyesuaikan tekanan pada tingkat yang

baru, volume uji akan mengalami gaya apung dalam arah yang

mendorong ke arah aslinya. (Ingat bahwa volume uji mengalami gaya

apung ketika densitas berbeda dari densitas fluida sekitarnya). Jika



14

volume yang diuji secara adiabatik tidak pernah mengalami aya apung,

kolom cairan dikatakan dalam keseimbangan yang netral. Suasana

netral stabil seperti ini isebut suasana isentropik atau adiabatik. Entropi

suasana seperti ini adalah konstan dengan ketinggian. Hal ini

dikarenakan oleh :

a. Entropi adalah invarian dari proses adiabatik

b. Entropi adalah fungsi dari tekanan dan kepadatan

c. Di atmosfir netral dan stabil tekanan dan kepadatan volume uji

adiabatik selalu sama dengan

cairan sekitarnya.

5. Kesetimbangan Gas Ideal Hisrostatik

a. Entropi

Untuk menentukkan rumusan kesetimbangan isentropic,

kita menuliskan persamaan – persamaan untuk turunan dari

entropi :

+ + ln + ln

l n l n ln− =−

( l n l n ) ln−=−

( l n l n ) ln− =−

b. Hubungan Gas Ideal Isentropik

Untuk atmosfir isentropic, 0 , sehingga rumus

diferensial entropi menghasilkan hubungan isentropic antara

variabel pada ketinggian dan z:

− , ⁄

− ,

−



15

Hubungan terakhir ini memberikan kita sebuah rumus

eksplisit untuk suhu potensial. Suhu potensial didefinisikan

sebagai suhu yang dimiliki sebidang udara jika itu dibawa ke

adiabatik suhu acuan. Jadi, jika kita mengambil pO sebagai

temperatur referensi (biasanya 1000 mbars), suhu potensial

adalah

≔ −

c.

Skala lapse dari Gas Ideal Adiabatik

Ingat isentropic : ln ln

Ingat gaya keseimbangan hidrostatik :

Dibagi dengan p, dengan menggunakan , maka menjadi

l n

Dikali dengan, maka l n , , . . ,

6. Gangguan Dari Keseimbangan Hidrostatik

Untuk setiap variabel keadaan q membuat q0 (z) mewakili

keseimbangan hidrostatik berlapis. Tuliskan variable keadaan sebagai

gangguan dari keseimbangan hidrostatik :

+ ′ a.

Gangguan Dari Keseimbangan Momentum Hidrostatik

Ingat kembali hokum kesetimbangan yang kita turunkan

untuk momentum

∇ + ∇

dan kurangi persamaan kesetimbangan hidrostatik

0 ∇

Kita dapatkan

+ ′ ′ ∇ ′ + ∇

dibagi dengan menjadi

1 + ′

′

1 ∇′ + ∇



16

dimana, ≔ adalah viskositas kinematik. Dengan asumsi

persamaan Boussinesq ′ ≪ menjadi :

≃ ′ 1 ∇′ + ∇

b. Gangguan Dari Keseimbangan Energi Termal Hidrostatik

Substitusikan ekspansi gangguan menuju keseimbangan

yang kita turunkan untuk energy thermal :

+ ′ + ′ +

′

+ ∇ + ′

dan kurangi hubungan kesetimbangan hidrostatiknya,

+ ∇

asumsikan Boussines ′ ≪ , kita dapatkan

′ ′ + ∇′

c. Gangguan Dari Keseimbangan Energi Panas Tropis Hidrostatik

Dipilih referensi kesetimbangan hidrostatik yang kita dapat

mengabaikan

Kita dapat mengabaikan istilah ini jika kita mengasumsikan

kesetimbangan hidrostatik adalah isentropik. Dalam keadaan

sebuah elemen volume yang alirannya konveksi maka akan

sejalan dengan kesetimbangan hidrostatik, perjanjian ini akan

bertahan, variabel yang sedikit berbeda dari kesetimbangan

hidrostatik, perbedaannya akan cenderung bertahan (asumsi

difusi).

Istilah ini pada dasarnya merupakan kontribusi terhadap

perubahan dari gangguan suhu karena asi dari kesetimbangan

hidrostatik dari isentropic.

d. Gangguan Dari Keseimbangan Hidrostatik Sebagai Gangguan

Dari Isentropik Kesetimbangan Hidrostatik.



17

Secara umum atmosfir dekat dengan kesetimbangan

hidrostatik, tetapi keseimbangan yang biasanya tidak isentropik.

Perluas setiap variabel q sebagai + +′ dimana + : merepresentasikan kesetimbangan

hidrostatik sebernarnya di atmosfir, dan dimana

merepresentasikan beberapa kesetimbangan isentropic

hidrostatik. Definisikan + ′, sebagai gangguan

dari kesetimbangan isentropic.

Ingat bahwa

l n l n + l n . Asumsikan bahwa

gangguan dari isentropic kecil, ini berarti ≃ + . Bahwa,

≃ . Kita menggunakan ini untuk

mengeliminasi T dari persamaan difusi panas +∇ : +∇

dengan + ′ dan ∇ ≃ 0,

′ ′ + . ⏟ − +∇ ′ ′

Abaikan turunan dari deviasi tekanan ′ dan ∇′ (Tampaknya ini dibenarkan oleh asumsi keseimbangan

kuasihidrostatik dan kuasigeostropik) Ini memberikan

kembangan persamaan untuk gangguan dalam densitas:

′

. + ∇

′

7.

Pola Boussinesq

Persamaan Boussinesq secara lengkap :

∇ . 0

′ 1 ∇′ + ∇

′ . + ∇ ′



18

Dalam rangka untuk mengurangi jumlah parameter per satu, kita

mendefinisikan "frekuensi daya apung" N dan gangguan suhu yang

diubah skalanya θ dan tekanan p oleh

≔

′ √

′

Ini memberikan sistemBoussineq dengan jumlah minimum

parameter bebas:

∇ . 0

∇ + ∇

. + ∇

8.

Model Boussinesq

Pada banyak aliran konveksi alami, konvergensi dari perhitungan

numerik dapat semakin cepat dicapai dengan menggunakan model

Boussinesq. Model ini membuat nilai densitas fluida (pada kasus ini

adalah udara) sebagai fungsi temperatur. Persamaan matematis untuk

model Boussinesq dapat dinyatakan sebagai berikut:

( 1 ) (11)

dengan adalah koefisien ekspansi termal (1/K), T0 dan 0

merepresentasikan parameter operasi. Pendekatan ini akurat selama perubahan densitas nyata adalah kecil. Dengan kata lain, pendekatan

Boussinesq adalah valid ketika β(T -T o ) ≪ 1.



19

BAB III

METODE PENELITIAN

Proses penelitian ini menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamics

(CFD). Model turbulensi yang digunakan adalah persamaan Reynold-Average

Navier-Stokes (RANS). Model turbulensi RANS k-omega SST (Shear-Stress

Transport) digunakan dalam simulasi ini karena bilangan Reynold aliran udara di

dalam inkubator sangat rendah. Alur penelitian ditunjukkan berikut :

YaData-data variable fisis

inkubator bayi (Temp,

RH, airflow)

Inisiasi variabel fisis pada incubator bayi

Simulasi distribusi temperature di inkubator bayi dengan CFD

Konver en

Verifikasi

A

Mendapatkan disain-geometri dan beberapa nilai vaiabel fisis

dalam incubator bayi di BPFK Surabaya

Menggambar geometri incubator bayi (tanpa bayi) dengan

perangkat lunak CAD

Pendefinisian bidang batas pada geometri dan pengecekan

mesh

Mulai

Mesh baik

Tidak

Tidak

Ya



20

Gbr 3. Diagram alir penelitian perpindahan panas dan massa pada inkubator

bayi

A

Menentukan modifikasi tipe

dinding dan overhead screen pada

incubator ba i

Menggambar geometri incubator

termodifikasi dengan CAD dan

penentuan kondisi batas

Mesh

Inisiasi variabel fisis pada

incubator bayi

Simulasi distribusi temperaturedan kehilangan panas pada bayi

den an CFD

Mengumpulkan data

property fisis komponen

inkubator

Konver

Analisis dan pembahasan

Penyusunan Laporan Akhir

Selesai

Tidak

Tidak



21

Penjelasan secara lebih detil dari langkah-langkah pengerjaan penelitian ini

adalah sebagai berikut.

3.1 Disain dan Geometri Inkubator

Disain dan geometri inkubator bayi yang menjadi rujukan dalam

penelitian ini adalah inkubator AMECARE di BPFK Surabaya. Disain

inkubator bayi ini dimodelkan dengan geometri tiga dimensi yang telah

disederhanakan mengguna-kan perangkat lunak Gambit. Ukuran ruang utama

inkubator pada pemodelan ini adalah panjang (x) sebesar 76 satuan, lebar (y)

sebesar 46 satuan, dan tinggi (z) bagian depan 31 satuan dan bagian belakang

45 satuan. Geometri inkubator dan hasil pemodelan dari ruang inkubator bayi

dapat di lihat pada Gbr. 4 berikut ini.

Gbr 4. Disain inkubator bayi: (a) model asli dan (b) hasil pemodelan

dengan menggunakanperangkat lunak Gambit.

Inkubator kosong ini selanjutnya disimulasikan untuk pemberian udara

panas dengan pengaturan temperatur ruang 5 sebesar 32oC, 33oC, dan 35oC.

Apabila data hasil simulasi terverifikasi oleh data pengukuran dengan hasil

yang baik (toleransi kesalahan maksimum 5%), maka langkah penelitian

dilanjutkan dengan memodelkan bayi di dalam empat model inkubator (skala

1:1) yaitu inkubator dinding tunggal, dinding tunggal dengan overhead

screen, dinding ganda, dan dinding ganda dengan overhead screen. Hasil

pemodelan ini dapat dilihat pada Gbr. 5 berikut.



22

Gbr. 5. Geometri inkubator (a) dinding tunggal, (b) dinding tunggal dengan

overhead screen, (c) dinding ganda, dan (d) dinding ganda dengan overhead

screen.Pada pemodelan inkubator yang telah dimodifikasi, geometri overhead

screen dibuat pada jarak 3 satuan dari dinding atas. Dinding ganda juga

dibuat pada jarak 3 satuan dari dinding terluar sisi depan hingga belakang

melalui dinding atas. Pada inkubator dinding ganda dengan overhead screen,

pemasangan screen dipilih pada jarak 2 satuan dari dinding atas bagian

dalam. Bayi dimodelkan dengan panjang lebih kurang 40 cm dan luas

permukaan tubuh 0,098 m2.



23

3.2 Diskritisasi Geometri Inkubator dan Bayi

Langkah selanjutnya setelah pemodelan geometri inkubator dan bayi

adalah melakukan diskritisasi volume pada masing-masing inkubator. Pada

diskritisasi ini digunakan tipe mesh tetrahedral-hibrid. Pada inkubator

dengan penambahan bayi dilakukan pemisahan (split) volume yang masih

terkoneksi. Metode diskritisasi ini dilakukan untuk menghasilkan hasil

simulasi yang lebih baik karena analisis ditekankan pada daerah dekat

permukaan kulit bayi. Pada Gbr. 6 ditunjukkan penampang depan inkubator

dengan bayi yang telah didiskritisasi. Hasil pemisahan volume dapat dilihat

pada garis horisontal berwarna hijau di atas bayi setinggi 11,5 satuan dari

dasar inkubator. Pada keempat gambar tersebut terlihat bahwa kerapatan

elemen volume diskrit pada volume bagian bawah dan atas inkubator

berbeda. Elemen volume diskrit bagian bawah inkubator (meliputi bayi dan

matras) lebih rapat dibandingkan sebelah atasnya. Pada bagian bawah interval

jarak diskritisasi adalah 0,8 satuan sedangkan interval jarak diskritisasi bagian

atas adalah 1,2 satuan.

Gbr. 6. Diskritisasi geometri inkubator dan bayi di dalam inkubator (a)

dinding tunggal, (b) dinding tunggal dengan overhead screen, (c) dinding

ganda, dan (d) dinding ganda dengan overhead screen.



24

Hasil diskritisasi pada inkubator dinding tunggal mengha-silkan

457.890 elemen. Pada inkubator dinding tunggal dengan overhead screen

dihasilkan 454.876 elemen. Pada inkubator dinding ganda dihasilkan elemen

sebanyak 453.112 elemen dan hasil diskritisasi inkubator dinding ganda

dengan overhead screen menghasilkan 452.264 elemen.

3.3 Pengukuran Besaran Fisis Temperatur dan Kecepatan

Aliran Udara dan Verifikasi Hasil Simulasi Pengukuran temperatur dan

kecepatan aliran udara berguna untuk memverifikasi data hasil simulasi

menggunakan CFD. Data pengukuran untuk verifikasi diambil di empat titik

pengukuran temperatur yang merepresentasikan temperatur udara di kepala

(T1), abdomen (T2), kaki (T3), dan matras (T4). Kecepatan aliran udara

diukur di satu titik yang merepresentasikan aliran udara dekat dengan

abdomen bayi. Pengukuran ini dilakukan dengan menggunakan alat ukur

standar ANSI/AAMI 1136 – 1997 yaitu incu analyzer sebagaimana

ditunjukkan oleh Gbr. 7 di bawah ini.

Gbr. 7. Alat ukur standar variabel fisis di dalam inkubator, incu analyzer,

BPFK.



25

Pengukuran ini dilakukan untuk tiga pengaturan temperatur ruang

32oC, 33oC, dan 35oC. Masing-masing titik diambil data pengukuran

sebanyak 10 kali dan diambil nilai rata-rata temperatur pada masing-masing

titik serta kecepatan aliran udara. Data pengukuran ini selanjutnya

ditambahkan faktor koreksi dari sertifikat kalibrasi yang diterbitkan oleh

BPFK 6 Surabaya. Data pengukuran yang telah dikoreksi ini yang selanjutnya

digunakan sebagai data pemverifikasi.

3.4 Penentuan Jenis Kondisi Batas

Penentuan kondisi batas merupakan tahapan penyelesaian CFD.

Tahapan penyelesaian ini menggunakan perangkat lunak Fluent metode 3ddp

(3 dimensions double precision). Skala diskritisasi pada tahap penyelesaian

ini adalah 1 skala satuan mewakili panjang 1 cm. Simulasi dilakukan dalam

keadaan tunak ( steady). Persamaan fisis yang digunakan dalam simulasi ini

adalah persamaan energi, viskositas model k-omega SST, dan radiasi model

DO (Discrete Ordinates). Model radiasi DO digunakan karena adanya bahan

yang bersifat mengabsorpsi dan bahan semi transparan seperti dinding

inkubator. Pada geometri tubuh bayi dimasukkan nilai emisivitas dari tubuh

bayi sebesar 0,95 dan fluks panas sebesar 1,70264 Watt. Adapun

pendefinisian material penyusun dinding inkubator mengacu pada tabel di

bawah ini.

TABEL II

PROPERTI FISIKA KONDISI BATAS DINDING INKUBATOR BAYI,

MATERIAL SEMITRANSPARAN [15]

Properti Fisika Nilai

Massa jenis /3 1,450

Kapasitas panas / 0,960

Konduktivitas panas / 0,036

Koefisien absorpsi − 220,000

Emisivitas internal 0,920



26

Domain dari inkubator bayi adalah fluida berupa udara. Nilai dari

properti fisika yang dimasukkan pada pendefinisian material udara dalam

Fluent sedikit berbeda dengan nilai default basis data Fluent. Hal ini

disebabkan pemodelan ini menggunakan pendekatan Boussinesq. Dengan

menggunakan pendekatan ini, konvergensi solusi numerik diharapkan cepat

tercapai. Nilai properti fisika dari udara dapat dilihat pada tabel di bawah ini.

TABEL III

PROPERTI FISIKA KONDISI BATAS UDARA DI DALAM

INKUBATOR [15]

Properti Fisika Nilai

Luas area masukan udara panas 0,00645

Luas area keluaran infiltrasi 0,6 x 10−

Massa Jenis /3 1,225

Pengaturan temperatur udara masukan ° C 32; 33; 35

Kapasitas panas

/ 1,006

Konduktivitas panas / 0,0268

Viskositas udara / 1,9 x 10−

Koefisien ekspansi termal − 0,003326

Pada pendefinisian kondisi batas matras inkubator bayi, dipilih panas

pada matras tidak berkontribusi pada radiasi dan moda perpindahan panas

yang lain. Hal ini diasumsikan bahwa kondisi adiabatik terjadi antara matras

dan tubuh bayi. Kondisi adiabatik terjadi pada kondisi tunak karena telah

tercapai kesetimbangan panas diantara tubuh bayi dan bidang matras. Pada

kondisi batas yang lain dimasukkan nilai-nilai parameter fisis berbeda-beda

setiap pengaturan temperatur ruang inkubator bayi. Pada tabel berikut,

ditunjukkan perbedaan nilai parameter fisis setiap pengaturan temperatur

ruang.



27

TABEL IV

NILAI PARAMETER FISIS BEBERAPA KONDISI BATAS

INKUBATOR PADA PENGATURAN TEMPERATUR RUANG

TERTENTU

Kondisi BatasNilai parameter fisis pada:

° C ° C ° C

Kecepatan masukan udara

panas (m/s)

0,15 0,14 0,09

Temperatur masukan udara

panas (K)

305,75 306,93 309,50

Temperatur keluaran infiltrasi

(K)

304,23 305,46 308,51

Temperatur dinding luar (K) 304,42 305,50 307,50

Temperatur dinding dalam (K) 304,51 305,76 307,92

Temperatur screen (K) 304,40 305,63 307,74

Langkah selanjutnya pada pengendali solusi (control solution) untuk

semua persamaan dipilih pengkopelan tekanan-kecepatan moda simple dan

second order upwind untuk diskritisasinya. Pada simulasi ini tidak dilakukan

perubahan terhadap nilai batas konvergensi (under relaxation factor ) dari

nilai standarnya. Besarnya nilai under relaxation ini mempengaruhi proses

iterasi yaitu menentukan cepat lambatnya konvergensi perhitungan numerik.

Pada penelitian kali ini nilai faktor relaksasi yang digunakan adalah nilai

standar.

3.5 Visualisasi Hasil Simulasi dengan CFD

Visualisasi hasil tahapan penyelesaian dilakukan dengan menggunakan

perangkat lunak CFD post ANSYS 12.1. Hasil simulasi yang ditampilkan

dalam bentuk kontur adalah temperatur, fluks panas radiasi, koefisien

perpindahan panas pada dinding. Kontur temperatur dari hasil simulasi

diambil pada dua bidang yang berpotongan melalui simetri tubuh bayi. Pada

kontur temperatur bidang yang diambil dapat dievaluasi apakah temperatur



28

udara telah memenuhi temperatur ruang yang diharapkan pada inkubator.

Kehilangan panas secara radiasi dapat divisualisasikan dengan menunjukkan

kontur fluks panas radiasi. Kehilangan panas secara konveksi dapat

ditunjukkan dengan kontur koefisien perpindahan panas pada dinding dalam

kasus ini permukaan tubuh bayi (Fluent manual, 2006). Besarnya laju

kehilangan panas secara evaporasi adalah tetap namun banyaknya panas yang

hilang karena evaporasi ditentukan oleh kuantitas aliran udara yang mengalir

pada sekitar tubuh bayi. Untuk melihat kuantitas aliran udara ini digunakan

visualisasi path line kecepatan udara dengan off point yang sama pada semua

simulasi.



29

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Penelitian

Hasil simulasi awal mengenai distribusi temperatur telah terverifikasi

dengan data pengukuran untuk menentukan nilai-nilai kondisi batas pada

inkubator bayi serta hasil simulasi 7 akhir mengenai kehilangan panas telah

terverifikasi dengan hasil penelitian lain yang dilakukan secara

eksperimental.

4.1.1 Verifikasi Hasil Simulasi dengan Pengukuran

Verifikasi simulasi CFD inkubator bayi berguna untuk bahwa

hasil simulasi ini benar-benar mendekati keadaan fisis di dalam

inkubator yang sebenarnya. Verifikasi dilakukan pada temperatur udara

ruang pada tiga titik (T1, T2, dan T3), temperatur matras T4, dan

kecepatan aliran udara.

Gbr. 8. Verifikasi temperatur hasil simulasi CFD pada titik

pengukuran T1 dan T2 terhadap data pengukuran.

Berdasarkan Gbr. 8 dapat diinterpretasikan bahwa pada kedua

titik pengukuran, nilai temperatur pengukuran dan simulasi memiliki

kesalahan yang sangat kecil. Pada titik T1, kesalahan hasil simulasi



30

terkecil adalah 0,86% dan kesalahan terbesar adalah 2,42%. Sedangkan

pada titik T2, kesalahan hasil simulasi terkecil adalah 0,36% dan

kesalahan terbesar adalah 0,83%.

Gbr. 9. Verifikasi temperatur hasil simulasi CFD pada titik

pengukuran T3 dan T4 terhadap data pengukuran.

Pada Gbr. 9 ditunjukkan hasil verifikasi temperatur hasil

simulasi untuk titik T3 dan T4. Pada titik T3, kesalahan hasil simulasiterkecil adalah 0,54% untuk pengaturan temperatur 35oC dan kesalahan

simulasi terbesar adalah 2,37% untuk pengaturan temperatur 33oC.

Pada titik T4, kesalahan hasil simulasi terkecil adalah 0,44% untuk

pengaturan temperatur 35oC dan kesalahan simulasi terbesar adalah

0,51% untuk pengaturan temperatur 32oC. Berbeda dengan verifikasi

hasil simulasi temperatur, pada hasil simulasi kecepatan aliran udara

pada titik yang sama dengan titik pengukuran terdapat nilai error yang

cukup besar. Pada pengaturan temperatur ruang 32oC, besarnya

kecepatan aliran udara pada hasil simulasi 5,50% lebih tinggi dari hasil

pengukuran. Pada pengaturan temperatur ruang 33oC, kecepatan aliran

udara hasil simulasi 3,37% lebih tinggi dari data pengukuran. Nilai

kesalahan kecepatan aliran udara hasil simulasi terbesar pada

pengaturan temperatur 35oC yaitu 20% lebih rendah dari data

pengukuran.



31

Gbr. 10. Verifikasi kecepatan aliran udara hasil simulasi CFD

terhadap data pengukuran.

Nilai kesalahan yang cukup besar pada hasil simulasi kecepatan

aliran udara terhadap data pengukuran dikarenakan resolusi pada alat

ukur adalah 0,01 ms-1 sedangkan ketelitian hasil simulasi hingga 0,001

ms-1. Namun demikian, secara keseluruhan kesalahan hasil simulasi

terhadap data pengkuran sangatlah kecil, sehingga dapat dinyatakan

bahwa hasil simulasi telah terverifikasi dengan hasil yang baik.

4.1.2 Distribusi Temperatur

Hasil visualisasi distribusi temperatur pada area disekitar tubuh

bayi dapat dilihat pada Gbr. 11 di bawah ini. Distribusi yang

ditampilkan pada gambar tersebut adalah distribusi temperatur pada

pengaturan temperatur ruang 32oC, hasil ini identik untuk semua

pengaturan temperatur.



32

Gbr. 11. Kontur distribusi temperatur (K) pada pengaturan

temperatur ruang 32oC dalam inkubator (a) dinding tunggal, (b)

dinding tunggal dengan overhead screen, (c) dinding ganda, (d)

dinding ganda dengan overhead screen.

Distribusi temperatur yang paling baik dimiliki oleh inkubator

dinding tunggal dengan penurunan temperatur rata-rata ruang yang

tidak signifikan 0,1 – 0,3oC. Pada model inkubator yang lain, terutama

inkubator dinding ganda dengan overhead screeni terjadi penurunan

temperatur rata-rata ruang yang sangat signifikan. Pada temperatur

35oC, nilai temperatur rata-rata ruang pada inkubator model ini dapat

turun 0,5 – 1,07oC yang berarti bahwa pada pengaturan temperatur

yang lebih tinggi lainnya memungkinkan untuk temperatur ruang 8

lebih rendah dari yang diharapkan. Oleh karena itu, pengkondisian

ruang menjadi tidak sesuai dengan salah satu kriteria kenyamanan

termal yang diharapkan.

4.1.3 Distribusi Aliran Udara

Distribusi aliran udara di dalam inkubator dianalisis untuk

mengetahui pengaruh aliran udara terhadap kehilangan panas secara

evaporasi dan konveksi pada tubuh bayi. Profil aliran udara dilapisan



33

batas (boundary layer) sangat menentukan besarnya perpindahan panas

secara konveksi. Pada temperatur 32oC, penambahan overhead screen

pada inkubator dinding tunggal menambah kecepatan aliran udara balik

ke tubuh bayi yaitu dari 0,00332m/s menjadi 0,01592 m/s. Pada

inkubator dinding ganda, penambahan overhead screen tidak

menyebabkan peningkatan yang signifikan kecepatan aliran udara balik

menuju tubuh bayi. Kuantitas aliran udara juga berkurang sangat

signifikan seperti Gbr. 12.

Gbr. 12. Path line kecepatan udara (m/s) pada pengaturan

temperatur 32oC di dalam inkubator (a) dinding tunggal, (b) dinding

tunggal dengan overhead screen, (c) dinding ganda, (d) dinding

ganda dengan overhead screen.Keadaan distribusi aliran udara yang sama juga didapati dalam

inkubator pada temperatur ruang 33oC. Terdapat perbedaan distribusi

aliran udara di dalam inkubator dinding tunggal pada temperatur ruang

35oC. Magnitudo kecepatan aliran udara yang menuju ke tubuh bayi

berkurang dari 0,00465 m/s menjadi 0,00262 m/s. Sebaliknya pada

inkubator dinding ganda, penambahan overhead screen menyebabkan



34

kecepatan aliran udara balik cukup signifikan yaitu dari 0,00304 m/s

menjadi 0,01379 m/s.

4.1.4 Kehilangan Panas Radiasi

Kehilangan panas secara radiasi diamati pada kontur fluks panas

radiasi yang terlihat pada badan bayi. Fluks kehilangan panas radiasi

pada tubuh bayi merupakan interaksi radiatif tubuh bayi dengan benda-

benda padat semi transparan yang mengelilinginya seperti dinding luar

inkubator, dinding dalam inkubator, matras, dan overhead screen.

Hasil simulasi kehilangan panas radiasi pada tubuh bayi di dalam empat

model inkubator untuk setiap pengaturan temperatur ruang ditunjukkan

oleh Gbr. 13.

Pada gambar tersebut ditunjukkan fluks panas radiasi pada bayi

untuk setiap model inkubator dalam temperatur ruang 32oC. Pada

inkubator dinding tunggal, adanya overhead screen dapat menurunkan

kehilangan panas radiasi sekitar 0,9 W/m2. Sedangkan pada inkubator

dinding ganda, penambahan overhead screen justru meningkatkan fluks

kehilangan panas radiasi pada tubuh bayi yang cukup signifikan sebesar

1,89 W/m2.

Gbr. 13. Kontur fluks panas radiasi bayi (W/m2) pada pada

pengaturan temperatur 32oC di dalam inkubator (a) dinding tunggal,

(b) dinding tunggal dengan overhead screen, (c) dinding ganda, (d)




35

Perbandingan fluks panas radiasi tubuh bayi pada masing-masing

model inkubator untuk setiap pengaturan temperatur ruang dapat dilihat

pada gambar berikut.

Gbr.14. Kehilangan panas tubuh bayi secara radiasi (W) di

dalam empat model inkubator pada masing-masing temperatur ruang

inkubator.

Untuk inkubator yang sama, Gbr. 14. menunjukkan besarnya

kehilangan panas tubuh bayi secara radiasi pada pengaturan temperatur

32oC, 33oC, dan 35oC. Pada inkubator dinding tunggal, kehilangan

panas radiasi meningkat cukup signifikan (0,4W) pada temperatur

ruang 33oC dan kembali turun sebesar 0,1W pada temperatur 35oC.

Pada inkubator dinding tunggal dan inkubator ganda yang dilengkapi

overhead screen memiliki kecenderungan yang sama yaitu

peningkatan kehilangan panas secara radiasi dengan semakin tingginya

temperatur ruang. Secara keseluruhan, kehilangan panas secara radiasi

di dalam inkubator dinding ganda relatif lebih rendah dibandingkan tiga

model inkubator lainnya.

4.1.5 Kehilangan Panas Konveksi dan Evaporasi

Hasil simulasi fluks panas secara konveksi telah didapatkan

berdasarkan kontur koefisien perpindahan panas dinding. Sebagaimana



36

dijelaskan pada tinjauan pustaka, fluks panas konveksi ini sangat

ditentukan oleh posisi bayi (tertekuk atau 9 lurus), luas permukaan

tubuh, berat badan, temperatur dan aliran udara pada inkubator. Pada

kasus ini besarnya kecepatan aliran udara dan perbedaan temperatur di

sekitar tubuh bayi cukup berpengaruh besar pada kehilangan panas

konveksi. Gambaran fluks panas konveksi tubuh bayi yang

direpresentasikan oleh kontur koefisien perpindahan panas permukaan

tubuh bayi ditunjukkan pada gambar-gambar berikut.

Gbr. 15. Kontur koefisien konveksi tubuh bayi (W/m2K) pada

pengaturan temperatur 32oC di dalam inkubator (a) dinding tunggal,

(b) dinding tunggal dengan overhead screen, (c) dinding ganda, (d)


Pada kontur koefisien konveksi tubuh bayi untuk tiga variasi

pengaturan temperatur ruang, didapatkan profil koefisien konveksi

yang tidak banyak berbeda. Nilai rata-rata koefisien konveksi pada

permukaan tubuh bayi juga tidak berbeda signifikan. Grafik

kecenderungan besarnya kehilangan panas konveksi pada masing-

masing model inkubator untuk setiap temperatur ruang dapat dilihat

pada Gbr. 16 berikut.



37

Gbr. 16. Kehilangan panas tubuh bayi secara konveksi (W) di dalam

empat model inkubator pada masing-masing temperatur ruang

inkubator.

Dibandingkan dengan kehilangan panas secara radiasi, maka

besarnya kehilangan panas secara konveksi relatif jauh lebih kecil. Pada

inkubator dinding tunggal, kehilangan panas secara konveksi

cenderung menurun dengan meningkatnya temperatur ruang.

Sedangkan pada tiga model inkubator lainnya memiliki kecenderungan

kehilangan panas konveksi yang meningkat namun tidak signifikan.

Pada inkubator dinding ganda baik yang menggunakan overhead

screen maupun tidak memiliki fluks kehilangan panas yang sangat

rendah yaitu 0,18 – 0,22 Watt. Sedangkan pada kedua model inkubator

berdinding tunggal memiliki fluks kehilangan panas yang lebih tinggi

yaitu pada rentang 0,21 – 0,68 Watt.

4.2 Pembahasan

Berdasarkan kriteria distribusi temperatur yang paling baik, inkubator

dinding tunggal tanpa overhead screen memiliki distribusi temperatur yang

baik pada tiga temperatur ruang yang diteliti yaitu 32oC, 33oC, dan 34oC.

Temperatur udara rata-rata ruang inkubator dinding tunggal relatif lebih

mendekati dengan nilai pengaturan temperatur ruang inkubator dibandingkan



38

dengan temperatur udara rata-rata pada model inkubator yang lain. Bahkan

pada inkubator dinding ganda dengan overhead screen, temperatur udara

ruang dapat mencapai 1oC lebih rendah dari temperatur yang diharapkan

sehingga menyebabkan kehilangan panas berlebih baik secara konveksi,

radiasi, konduksi, maupun evaporasi. Distribusi temperatur yang lebih baik

pada inkubator dinding tunggal disebabkan karena semua aliran udara dapat

dibalikkan menuju bagian bawah (tubuh bayi) setelah mencapai dinding

teratas inkubator. Oleh karena udara yang lebih panas selalu ada di lapisan

permukaan yang lebih tinggi, maka udara panas yang dikeluarkan oleh

masukan udara panas inkubator juga dapat didistribusikan kembali ke

permukaan yang lebih rendah oleh aliran udara balik. Berbeda dengan model

inkubator yang lain, adanya bebedapa lapisan batas (sekat) pada inkubator

menyebabkan aliran udara yang paling panas tertahan di celah dinding dalam

atau screen dengan dinding terluar karena udara panas ini selalu ada di bagian

paling atas. Dengan demikian aliran udara yang kembali ke bagian bawah

permukaan menjadi tidak lebih panas dari yang diharapkan, dalam hal ini

ditunjukkan penurunan temperatur udara. Kehilangan panas akibat radiasi

tergantung pada beberapa faktor, termasuk temperatur kulit, permukaan

relatif dan geometri bagian tubuh terkena radiasi, jarak dan sudut ke objek

iradiasi, emisivitas kulit bayi, dan emisivitas objek iradiasi. Pada simulasi

kehilangan panas radiasi untuk inkubator dinding tunggal dan inkubator

dinding tunggal dengan overhead screen terjadi penurunan sama seperti hasil

penelitian Ginalski dkk (2007). Objek iradiasi terdiri dari dinding terluar

inkubator dan screen dimana selisih temperatur antara dinding terluar dengan

tubuh bayi lebih tinggi dari pada selisih temperatur screen dengan tubuh bayi

sehingga panas radiasi yang dipancarkan oleh bayi juga lebih tinggi untuk

inkubator tanpa overhead screen. Pada inkubator dinding ganda, hampir

setiap sisi tubuh bayi dilingkupi oleh dinding dalam atau screen tambahan

yang menyebabkan total permukaan teradiasi oleh dinding luar inkubator

banyak berkurang. Hal inilah yang menjadi alasan signifikan turunnya

kehilangan panas secara radiasi pada inkubator dinding ganda. Ketika



39

overhead screen ditambahkan pada dinding dalam inkubator dinding ganda,

kehilangan panas secara radiasi kembali meningkat untuk temperatur ruang

32oC dan 33oC. Kondisi ini disebabkan oleh temperatur screen yang menjadi

lebih rendah dari temperatur bayi karena panas tertimbun pada celah antara

dinding dalam dan dinding luar inkubator seperti pada penjelesan

sebelumnya. Jadi, penambahan overhead screen pada inkubator dinding

ganda menjadi tidak efektif. Kehilangan panas secara konveksi pada tubuh

bayi tidak banyak mengalami perbedaan pada keempat model inkubator bayi

yang diteliti. Hal ini disebabkan profil aliran udara yang hampir sama serta

selisih temperatur tubuh dan udara di permukaan tubuh bayi yang tidak

berbeda secara signifikan. Kehilangan panas secara evaporasi diasumsikan

sama karena besarnya kehilangan panas evaporasi hanya disebabkan oleh

massa dan umur pasca kelahiran bayi namun juga dipengaruhi oleh kecepatan

udara dekat kulit bayi.

Gbr. 17. Kehilangan panas tubuh bayi secara konveksi dan radiasi (W) di

dalam empat model inkubator pada masing-masing temperatur ruang

inkubator.

Pada Gbr. 17 ditunjukkan tren kehilangan panas kering (dalam

penelitian ini hanya konveksi dan radiasi) di dalam inkubator bayi pada

temperatur ruang 32oC, 33oC, dan 34oC. Tren kehilangan panas ini digunakan



40

sebagai data simulasi yang akan diverifikasi dengan hasil penelitian secara

eksperimental agar hasil modifikasi terhadap inkubator dinding tunggal ini

dapat merepresentasikan kondisi fisis secar riil apabila modifikasi inkubator

benar-benar dibuat. Verifikasi hasil simulasi modifikasi inkubator dan adanya

bayi sebagai sumber panas di dalam inkubator telah dilakukan dengan

membandingkan penelitian secara eksperimental oleh Hey dan Katz tahun

1970 serta penelitian Elabbasi dkk. pada tahun 2004. Kedua penelitian

tersebut menggunakan inkubator dengan dinding tunggal.

Gbr. 18. Fluks kehilangan panas radiasi dan konveksi pada penelitian

secara eksperimen dengan manikin bayi dan bayi berat lahir [9, 20]

Hasil penelitian secara eksperimental pada Gbr. 18 menunjukkan

bahwa kehilangan panas secara konveksi dan radiasi pada temperatur 32oC,

33oC, dan 35oC memiliki kecenderungan meningkat pada temperatur 33oC

kemudian menurun signifikan pada temperatur 35oC. Kecenderungan ini juga

ditunjukkan pada hasil simulasi pada inkubator dinding tunggal baik dengan

ataupun tanpa overhead screen. Sedangkan pada inkubator dinding ganda

kecenderungan kehilangan panas konveksi dan radiasi terus turun pada

temperatur 33oC dan 35oC. Ketidakseimbangan antara produksi panas dan

kehilangan panas pada tubuh bayi ditunjukkan pada Gbr. 19 berikut.



41

Gbr. 19 . Ketidakseimbangan produksi dan kehilangan panas tubuh bayi

(W) di dalam empat model inkubator pada masing-masing temperatur ruang

inkubator.

Pada gambar di atas, ketidakseimbangan panas terbesar dialami oleh

bayi yang dirawat pada inkubator bayi dinding tunggal. Margin

ketidakseimbangan panas di dalam inkubator dinding tunggal cukup besar

dibandingkan model inkubator lainnya pada temperatur ruang 32oC dan 33oC.

Sedangkan pada temperatur ruang inkubator 35oC, ketidakseimbangan panas

tidak berbeda secara signifikan pada masing-masing model inkubator. Dari

keseluruhan inkubator yang dianalisis, inkubator dinding ganda memiliki

ketidak seimbangan panas paling rendah diantara model inkubator lainnya.



42

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil analisis dan pembahasan perpindahan panas dan

massa pada bayi di dalam empat model inkubator, maka dapat ditarik

kesimpulan antara lain.

1. Penambahan dinding dalam pada inkubator dinding tunggal dapat

menyebabkan penurunan temperatur rata-rata ruang inkubator yang

tidak signifikan yaitu sebesar 0,2 – 0,3oC. Penambahan dinding dalam

pada inkubator dinding tunggal menyebabkan kehilangan panas pada

tubuh bayi berkurang sangat signifikan sebesar 8 – 10 Watt.

2. Penambahan overhead screen pada inkubator dinding tunggal

menyebabkan penurunan temperatur rata-rata ruang sekitar 0,3 – 0,5oC

dan menyebabkan kehilangan panas total semakin berkurang 5 – 9

Watt. Pada inkubator ganda, penambahan overhead screen dapatmenurunkan temperatur rata-rata ruang secara signifikan hingga 1,07oC

serta kehilangan panas total pada tubuh bayi mengalami peningkatan 2

- 5 Watt.

5.2 Saran

Ketelitian hasil simulasi adalah 0,001 ms-1 dan ketelitian alat ukur

adalah 0,01 ms-1, maka nilai kesalahan menjadi cukup besar. Untuk

mengurangi nilai kesalahan dan hasil yang lebih akurat sebaiknya digunakan

alat yang beresolusi lebih tinggi.



43

DAFTAR PUSTAKA

[1] Pustika Efar. 2008. Metode Kangguru: “Inkubator” Alami Untuk Bayi

Prematur, dikutip dari http://tanyadokteranda.com/artikel/metode-kangguru-

inkubator-alami-untuk-bayi-pre-matur.html (diakses pada tanggal 10 Agustus

2010).

[2] Indrasanto, E., N. Dharmasetiawati, R. Rohsiswanto, R. K. Kaban. 2010.

Termoregulasi Neonatus, Ikatan Dokter Anak Indonesia (IDAI) dikutip dari

http://www.hsp-prs.org/Jakarta/2010/J3214/ (diakses pada tanggal 28 Agustus

2010).

[3] McCall EM, Alderdice FA, Halliday HL, Jenkins JG, Vohra S. 2006.

“Interventions to prevent hypothermia at birth in preterm and/or low birth weight

babies,” Evidence-Based Child Health 1: 287 – 324. DOI: 10.1002/ebch.5.

[4] Sauer, Dane, and Viser .1984. “New standards for neutral termal environment

of healthy very low birth weight infants in week one of life,” Archives of Disease

in Childhood. Vol: 59, pp.18 – 22. DOI:10.1136/adc.59.1.18.

[5] Johnston, C. C., B. Steven, J. Pinelli, S. Gibbins, F. Filion, A. Jack, S. Steele,

K. Boyer, A. Veilleux. 2003. “Kangaroo Care Is Effective in Diminishing Pain

Response in Preterm Neonates,” Archpediatrics Adolesc Med. Vol. 157 pp. 1084

– 1088

[6] Johnston, C. C., B. Steven, J. Pinelli, S. Gibbins, F. Filion, A. Jack, S. Steele,

K. Boyer, A. Veilleux. 2003. “Kangaroo Care Is Effective in Diminishing Pain

Response in Preterm Neonates,” Archpediatrics Adolesc Med. Vol. 157 pp. 1084

– 1088

[7] Yudiyana, I Nyoman. 2008. Analisis Distribusi Temperatur Pada Matras “Baby

Incubator”. Tugas Akhir. Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember,

Surabaya.



44

[8] Setiawan, Tri Dedi. 2008. Perancangan Sistem Pengendali Kelembaban dan

Monitoring Temperatur pada Inkubator Bayi Berbasis PC. Tugas Akhir Jurusan

Teknik Fisika, ITS, Surabaya

[9] Hey, E. N. & Katz, G. 1970. “The optimum termal environment for naked

babies,” Archives of Disease in Childhood. Vol. 45, pp. 328 – 334.

[10] Kobayashi, Shinichi, E. Koike and Kazuo Matubara. 1998. Infant Incubator.

United States Patent, No. 5,797,833

[11] Koch, Joachim and Wolfgang Franz. 1998. Incubator for Tomographic

Examinations. United States Patent, No. 5,800,335

[12] Chessex, P., S. Blouet and J. Vaucher. August 1998. Environmental

temperature control in very low birth weight infants (less than 1000 grams) cared

for in double-walled incubators. The Journal of Pediatrics, Vol. 113, Issue 2, pp.

373-380

[13] Laroia N, Phelps D. L, Roy J. 2007. Double wall versus single wall incubatorfor reducing heat loss in very low birth weight infants in incubators. Cochrane

Database Syst Rev. Apr 18;(2):CD004215.

[14] Yeh, T. F., S. Voora, L. D. Lilien, J. Matwynshyn, G. Srinivasan, R.S. Pildes,

1980. Oxygen consumption and insensible water loss in premature infants in

single- versus double-walled incubators. The Journal of Pediatrics, Vol.97, Issue

6. Pp. 967-971

[15] Ginalski, Maciej K., A. J. Nowak, L. C. Wrobel. 2007. A combined study of

heat and mass transfer in an infant incubator with an overhead screen. Medical

Engineering & Physics, Vol. 29, pp. 531 – 541

[16] Samosir, Asinanila D. (2009). Pengetahuan Mahasiswa D-III Keperawatan

Tentang Perawatan BBLR Di Dalam Inkubator Di Ruang Rawat Perinatologi RSUP

HAM Medan. Skripsi. Universitas Sumatera Utara.



[17] Dollberg, Shaul & Hoath, Steven B. 2001. “Temperature Regulation in

Preterm Infants: Role of The Skin-Environment Interface,” NeoReviews 2:282.

DOI: 10.1542/neo.2-12-e282.

[18] Sugini. 2004. Pemaknaan Istilah-istilah Kualitas Kenyaman-an Termal Ruang

Dalam Kaitan Dengan Variabel Iklim Ruang, Universitas Islam Indonesia,

LOGIKA. Vol. 1 No. 2

[19] Blazek, J. 2001. Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications.

Elsevier Science Ltd: United Kingdom.

[20] Elabbassi, Elmountacer B. and Belghazi, Khalid. 2004. Dry heat loss in

incubator: comparison of two premature newborn sized manikins. Europe Journal

of Applied Physiology 92: 679 – 682 DOI 10.1007/s00421-004-1130-5

Documents

MAKALAH BOUSSINESQ