ANALISIS DAN SIMULASI DISTRIBUSI SUHU UDARA PADA KANDANG SAPI PERAH MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
Tanggal: 17 Sep 2007
Laporan: AHMAD YANI
 
Sapi perah Fries Holland (FH) sangat peka terhadap perubahan iklim mikro terutama suhu dan kelembaban udara. Pada lokasi yang memiliki suhu tinggi dan kelembaban udara yang tidak mendukung, sapi perah akan mengalami cekaman panas yang berakibat pada menurunnya produktivitas. Penyebab tingginya suhu dan kelembaban udara adalah radiasi matahari, produksi panas ternak, tinggi dan luas kandang serta bahan atap. Upaya yang dapat dilakukan untuk menurunkan suhu dan kelembaban udara pada kandang sapi perah adalah modifikasi disain kandang dengan cara menganalisis distribusi suhu dan kelembaban udara dalam kandang melalui analisis pola aliran udara. Pola aliran udara pada ventilasi alamiah dapat dianalisis menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Melalui CFD disain kandang seperti tinggi dan luas dapat diubah-ubah sehingga diperoleh disain kandang dengan tinggi, lebar, luas bukaan ventilasi yang menghasilkan distribusi suhu yang lebih rendah dari disain lainnya.
Tujuan penelitian ini adalah menganalisis distribusi suhu dan kelembaban udara pada kandang sapi perah FH menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD), melakukan simulasi tinggi dan luas kandang sapi perah FH (dua arah angin) untuk mendapatkan distribusi suhu dan kelembaban udara (RH) yang lebih baik dan merekomendasikan modifikasi desain kandang sapi perah FH (tinggi, luas, bukaan ventilasi kandang dan posisi bak penampung air).
Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Lapangan Bagian Ternak Perah, Fakultas Peternakan, IPB pada Bulan Mei - Juli 2007. Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah kandang sapi perah FH, tambang, dan bambu. Kandang sapi perah memiliki kapasitas 20 ekor sapi dengan model kandang tail to tail yang memiliki ukuran: panjang 13 m, lebar 6,3 m dan tinggi 5,75 m. Lantai kandang terbuat dari beton dengan kemiringan 2%, atap menggunakan asbes, rangka menggunakan besi, tempat pakan dan minum terbuat dari beton. Peralatan yang digunakan meliputi weather station, termokopel, recorder, anemometer, mistar ukur, note book, personal computer (PC) dengan software autocad 2005, gambit 2.2.30 & fluent 6.2. Parameter iklim mikro yang diukur adalah suhu, kelembaban udara, arah dan kecepatan angin serta radiasi matahari (sesaat). Suhu kulit sapi diperoleh dari pengukuran di empat titik yaitu punggung, dada, tungkai atas dan tungkai bawah. Validasi dilakukan dengan standar deviasi dan curve fitting.

Oleh:
AHMAD YANI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007


COVER
Prakata
Ringkasan


PENDAHULUAN
Latar Belakang
Sebagian besar sapi perah yang ada di Indonesia adalah sapi bangsa Fries Holland (FH), didatangkan dari negara-negara Eropa yang memiliki iklim sedang (temperate) dengan kisaran suhu rendah berkisar 13 V 18oC (McDowell, 1972), 5-25oC (Jones and Stallings, 1999). Dengan kondisi asal iklim tersebut, sapi perah FH sangat peka terhadap perubahan iklim mikro terutama suhu dan kelembaban udara. Apabila sapi FH ditempatkan pada lokasi yang memiliki suhu tinggi dan kelembaban udara yang tidak mendukung maka sapi tersebut akan mengalami cekaman panas yang berakibat pada menurunnya produktivitas sehingga potensi genetiknya tidak dapat tampil secara optimal.
Tujuan Penelitian

TINJAUAN PUSTAKA
Produksi Panas Hewan Dalam Kandang
Ternak menghasilkan sejumlah panas metabolisme tergantung dari tipe ternak yaitu bobot badan, jumlah makanan yang dikonsumsi dan kondisi lingkungan mikro. Panas yang dihasilkan dalam kandang harus diprediksi untuk mendisain sistem kontrol lingkungan. Panas yang dihasilkan dan kemudian dilepas oleh tubuh hewan terdiri atas panas sensibel (sensible heat) dan panas laten (latent heat). Panas sensibel dan panas laten yang dihasilkan oleh hewan dalam kandang merupakan komponen kritis keseimbangan panas untuk kondisi setimbang dalam struktur kandang (Esmay, 1960).
Suhu Efektif
Pengaruh Suhu dan Kelembaban Udara Terhadap Sapi Perah FH
Pindah Panas dan Massa pada Kandang Sapi Perah FH
Distribusi Suhu dan RH pada Kandang Sapi Perah FH
Ventilasi
Efek Angin dan Efek Termal
Computational Fluid Dynamics (CFD)
Simulasi

PENDEKATAN TEORITIS
Teknik Simulasi Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD)
Pola distribusi suhu dan kelembaban udara relatif (RH) pada suatu ruangan tertentu dapat dianalisis menggunakan CFD. Dalam CFD, pola aliran udara digambarkan secara kuantitatif dalam besaran suhu dan kecepatan melalui persamaan diferensial berupa koordinat cartesian. Pemecahan secara matematik dalam CFD dilakukan melalui analisis numerik tiga dimensi dengan metode volume hingga melalui diskretisasi dan iterasi. Analisis distribusi dan simulasi suhu dan RH pada kandang sapi FH dalam CFD dapat dilakukan dengan menggunakan software gambit 2.2.30 (meshing dan boundary condition) dan fluent 6.2 (mendefinisikan model 3D, pemakaian energi, viscous model, jenis material dan sifat termofisik fluida, input nilai boundary condition, inisialisasi, iterasi dan visualisasi). Computational Fluid Dynamics (CFD) mengandung 3 komponen utama, yaitu : pre-processor, solver dan post-processror (Versteeg dan Malalasekera, 1995).

Koefisien Konveksi pada Kandang Sapi Perah FH
Koefisien Konveksi pada Kulit Sapi Perah
Perhitungan Distribusi RH Udara dalam Kandang

METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian ini dilaksanakan pada musim kemarau yaitu bulan Mei sampai Juli 2007 berlokasi di Laboratorium Lapangan Bagian Ternak Perah, Departemen Ilmu Produksi dan Teknologi Peternakan, Fakultas Peternakan, IPB.
Bahan dan Alat Penelitian
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kandang sapi perah FH, sapi perah FH, konsentrat, hijauan, air minum, tambang dan bambu. Kandang sapi perah yang digunakan adalah kandang sapi perah FH (heifers) berkapasitas 20 ekor sapi dengan model kandang tail to tail yang memiliki ukuran: panjang 13 m, lebar 6,3 m dan tinggi 5,75 m. Lantai kandang terbuat dari semen beton dengan kemiringan 2%, atap menggunakan asbes, rangka menggunakan besi, tempat pakan dan minum terbuat dari beton. Sapi perah yang digunakan adalah sapi perah peranakan Fries Holland (FH) sebanyak 20 ekor dengan bobot badan berkisar 185 V 645 kg. Kandang dan sapi perah FH yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 4a dan Gambar 4b.
Metode Peneltitan

HASIL DAN PEMBAHASAN
Distribusi Suhu dan Kelembaban Udara pada Kandang Sapi Perah
Analisis distribusi suhu dan kelembaban udara dilakukan pada saat kandang tidak diisi sapi (kandang kosong). Karakteristik kandang sapi perah yang meliputi dimensi kandang, karakteristik bahan penyusun kandang, kemiringan atap kandang, sifat fisik udara di dalam dan luar kandang dijadikan input pada analisis distribusi suhu dan kelembaban udara dalam kandang sapi perah menggunakan CFD. Output CFD mengenai distribusi udara di dalam kandang ditampilkan dalam bentuk irisan kontur melintang dan vektor kecepatan aliran dan pembentukan suhu udara di dalam kandang dimana suhu udara ditampilkan dalam total temperature, sedangkan kelembaban udara diperoleh dari hasil perhitungan menggunakan persamaan (21) sampai dengan persamaan (24).
Validasi Suhu dan Kelembaban Udara pada Kandang Sapi Perah
Simulasi Disain Kandang Sapi Perah



SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Distribusi suhu dan kelembaban udara dalam kandang sapi perah FH dengan ventilasi alamiah pada saat udara cerah di musim kemarau (tanggal 16 Juni 2007) dapat dianalisis menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) yang memiliki tingkat validasi cukup tinggi dengan nilai standar deviasi untuk suhu udara sebesar 0,39oC pada pukul 09:20 WIB, 0,33oC pada pukul 13:00 WIB dan 0,30oC pada pukul 15:20 WIB, sedangkan nilai standar deviasi untuk RH sebesar 2,44%. Validasi suhu dan kelembaban udara (RH) dilakukan pada saat kandang tidak diisi sapi (kandang kosong). Suhu udara terendah dalam kandang terdistribusi di dekat inlet pada ketinggian 1,2 dan 1,6 m, sedangkan pada kaetinggian 0,6 m karena terhalangi tembok dinding kanan/kiri suhu udara terendah berada pada arah dekat inlet (angin dari kanan/kiri) dan pada saat inlet dari depan/belakang suhu udara terendah berada di dekat tembok kanan/kiri kandang. Suhu udara rata-rata dalam kandang hasil analisis menggunakan CFD di ketinggian 0,6; 1,2 dan 1,6 m pada pukul 09:20 WIB memiliki nilai yang sama yaitu sebesar 28,69oC. Nilai RH pada pukul 09:20 WIB di tiga ketinggian (0,6; 1,2 dan 1,6 m) memiliki nilai yang sama yaitu 80,74%. Pada pukul 13:00 WIB, distribusi suhu udara dalam kandang di ketinggian 0,6; 1,2 dan 1,6 m masing-masing memiliki nilai rata-rata sebesar 32,57; 32,38 dan 32,38oC, sedangkan nilai RH pada tiga ketinggian tersebut masing-masing memiliki nilai rata-rata 64,75; 64,87 dan 64,95%. Pada pukul 15:20 WIB, distribusi suhu udara dalam kandang di ketinggian 0,6; 1,2 dan 1,6 m masing-masing memiliki nilai rata-rata sebesar 32,37; 32,38 dan 32,38oC dengan rata-rata nilai RH sebesar 68,23; 68,20 dan 68,20%.

Saran

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

1 Produksi panas sapi perah (bobot badan 454,5 kg)
2 Indeks suhu dan kelembaban relatif untuk sapi perah
3 Suhu rektal, denyut jantung dan frekuensi pernafasan sapi FH
4 Produksi susu, volume urine, konsumsi air minum, konsumsi pakan sapi perah FH pada suhu berbeda
5 Total produksi panas (kJ/kg.mbs.jam) yang dihasilkan sapi perah FH pada berbagai tingkat konsumsi pakan (feed intake)
6 Lokasi titik-titik pengukuran suhu udara dalam kandang dengan termokopel
7 Nilai massa jenis, panas jenis dan konduktivitas bahan penyusun kandang
8 Data input boundary condition untuk fluent 6.2. pada tanggal 16 Juni 2007
9 Suhu udara dalam kandang sapi perah FH hasil analisis CFD
10 Kelembaban udara dalam kandang sapi perah FH hasil analisis CFD
11 Hasil validasi suhu udara pengukuran dengan suhu udara hasil CFD dalam kandang
12 Data input boundary condition untuk fluent 6.2 untuk simulasi
13 Suhu udara (oC) dalam kandang sapi perah FH hasil analisis CFD pada kondisi awal dengan inlet dari kanan/kiri dan depan/belakang
14 Distribusi suhu udara hasil simulasi CFD pada beberapa disain kandang dengan arah angin dari depan/belakang
15 Distribusi suhu udara hasil simulasi CFD pada beberapa disain kandang dengan arah angin dari kanan/kiri
16 Distribusi suhu udara pada disain kandang terpilih dan kandang kondisi awal dengan inlet di kanan/kiri dan depan/belakang


DAFTAR GAMBAR
1 Diagram produksi panas sapi perah FH pada beberapa suhu lingkungan
2 Algoritma numerik volume hingga dengan metode SIMPLE
3 Diagram proses pemanasan pada kurva psychrometric
4 Kandang sapi perah FH penelitian (a) dan sapi perah FH (b)
5 Kandang sapi perah FH (ortogonal)
6 Bentuk geometri kandang sapi perah FH
7 Diagram alir proses penyelesaian masalah simulasi kandang sapi perah FH menggunakan teknik CFD
8 Radiasi matahari (Watt/m2) pada tanggal 16 Juni 2007
9 Suhu udara dan RH lingkungan pada tanggal 16 Juni 2007
10 Sebaran suhu udara dalam kandang pada pukul 09:20 WIB (16 Juni 2007)
11 Kontur suhu udara di dalam kandang sapi perah pada pukul 09:20 WIB (16 Juni 2007)
12 Vektor kecepatan aliran suhu udara di dalam kandang sapi perah pada pukul 09:20 WIB (16 Juni 2007)
13 Sebaran suhu udara dalam kandang pada pukul 13:00 WIB (16 Juni 2007)
14 Kontur suhu udara di dalam kandang sapi perah pada pukul 13:00 WIB (16 Juni 2007)
15 Vektor kecepatan aliran suhu udara di dalam kandang sapi perah pada pukul 13:00 WIB (16 Juni 2007)
16 Sebaran suhu udara dalam kandang pada pukul 15:20 WIB (16 Juni 2007)
17Kontur suhu udara di dalam kandang sapi perah pada pukul 15:20 WIB (16 Juni 2007)
18 Vektor kecepatan aliran suhu udara di dalam kandang sapi perah pada pukul 15:20 WIB (16 Juni 2007)
19 Validasi suhu hasil simulasi CFD terhadap suhu pengukuran di 24 titik dalam kandang (pukul 09:20 WIB, tanggal 16 Juni 2007)
20 Validasi suhu hasil simulasi CFD terhadap suhu pengukuran di 24 titik dalam kandang (pukul 13:00 WIB, tanggal 16 Juni 2007)
21 Validasi suhu hasil simulasi CFD terhadap suhu pengukuran di 24 titik dalam kandang (pukul 15:20 WIB, tanggal 16 Juni 2007)
22 Validasi kelembaban udara hasil simulasiCFD terhadap kelembaban udara pengukuran di 4 titik dalam kandang pukul 09:20 WIB (titik 1-4), 13:00 WIB (titik 5-8) dan 15:20 WIB (titik 9-12) pada tanggal 16 Juni 2007
23 Peletakan kulit sapi perah pada geometri kandang awal
24 Peletakan kulit sapi perah pada geometri kandang simulasi
25 Sebaran suhu udara dalam kandang hasil simulasi pada kondisi awal (arah angin (inlet) dari kanan)
26 Kontur suhu udara di dalam kandang sapi perah pada kondisi awal simulasi (arah angin (inlet) dari kanan
27 Sebaran suhu udara dalam kandang hasil simulasi pada kondisi awal (arah angin (inlet) dari depan
28 Kontur suhu udara di dalam kandang sapi perah pada kondisi awal simulasi (arah angin (inlet) dari depan

DAFTAR LAMPIRAN
1 Perhitungan bilangan Reynolds
2 Validasi suhu udara dalam kandang
3 Validasi kelembaban udara dalam kandang
4 Bobot badan dan luas permukaan kulit sapi perah FH (15 Mei 2007)
5 Posisi peletakan sapi perah FH dalam kandang
6 Tinggi badan dan dalam dada sapi perah FH
7 Kandungan bahan pakan pada sapi perah FH selama penelitian








DAFTAR SIMBOL

koefisien ekspansi dari volume gas ideal (1/oK)
sudut kemiringan bidang (o)
massa jenis udara (kg/m3)
viskositas dinamik udara (kg/m.det)
viskoitas kinematik udara (m2/det)
a suhu kulit bagian punggung (oC)
A luas area pindah panas (m2)
As luas permukaan kulit sapi (m2)
AM kecepatan angin (m/det)
b suhu kulit bagian dada (oC)
c suhu kulit bagian tungkai atas (oC)
d suhu kulit bagian tungkai bawah (oC)
D diameter spesifik kandang (m)
DBTb suhu bola kering pada tubuh sapi (oC)
DBTp suhu bola kering pada pernafasan sapi (oC)
ET suhu efektif pada ternak (oC)
g gaya grafitasi (m/det2)
GrL bilangan Grashoff
GT suhu lingkungan (oC)
h koefisien pindah panas konveksi (W/m2.oC)
k konduktivitas panas udara (W/m.oC)
L panjang karakteristik (m)
mTs suhu kulit (0C)
Nu bilangan Nusselt
p nilai suhu (oC)dan RH (%) hasil simulasi
Pr bilangan Prandtl
Ps tekanan jenuh uap (Pa)
Pv tekanan parsial uap (Pa)
Q besarnya panas yang dipindahkan (W)
RaL bilangan Releigh
Re bilangan Reynolds
RD radiasi matahari (cal/cm2.menit)
RH kelembaban relatif (%)
Ts suhu permukaan bahan (oC)
TV suhu udara pada jarak tertentu dari permukan bahan (oC)
u nilai suhu (oC) dan RH (%) hasil pengukuran
v kecepatan udara (m/det)
W berat tubuh sapi FH (kg)
WBT suhu bola basah (oC)
 
 
   
 
>> FUNGSI MAJELIS EKONOMI MUHAMMADIYAH DALAM PEMBERDAYAAN EKONOMI UMAT DI KOTA METRO BANDAR LAMPUNG
>> PENGARUH PENGEMBANGAN PEGAWAI DALAM KONTEKS IMPLEMENTASI ONLINE SYSTEM TERHADAP KEPUASAN KERJA, KOMITMENT DAN KINERJA PEGAWAI PADA PT. BANK JATIM DI SURABAYA
>> PEMBANGUNAN DESAIN MATERI PELATIHAN SEBAGAI UPAYA PENINGKATAN KOPMPETENSI KARYAWAN TEKNIS DIVISI PERTANIAN PT. NUSA INDO AGROMADANI SURABAYA
>> PEMANASAN BERULANG TERHADAP KANDUNGAN GIZI "SIE REUBOH" MAKANAN TRADISIONAL ACEH
>> ANALISIS FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PENGGUNAAN INFORMASI AKUNTANSI PADA USAHA MENENGAH KABUPATEN SIDOARJO
>> TEKNOLOGI PENANGKAPAN PILIHAN UNTUK IKAN CAKALANG DI PERAIRAN SELAYAR PROPINSI SULAWESI SELATAN
>> HUBUNGAN GAYA PENGASUHAN ORANG TUA AUTHORITARIAN DENGAN KEMANDIRIAN EMOSIONAL REMAJA (Studi Remaja Madya dalam Perspektif Psikologi Perkembangan Pada Siswa SMA Negeri I Punggaluku Kabupaten Konawe Selatan Sulawesi Tenggara)
>> PERANAN PEREMPUAN TANI DALAM PEMBERDAYAAN EKONOMI KELUARGA PETANI MISKIN ( STUDI KASUS KELUARGA PETANI SAWAH TADAH HUJAN DI DESA BONTO MATE'NE KECAMATAN MANDAI KABUPATEN MAROS )
>> PENGARUH PEMBERIAN MIE INSTAN FORTIFIKASI PADA IBU MENYUSUI TERHADAP KADAR ZINK DAN BESI ASI SERTA PERTUMBUHAN LINIER BAYI
>> PEMBERDAYAAN PENYANDANG CACAT MELALUI PROGRAM REHABILITASI BERSUMBERDAYA MASYARAKAT (Studi Kasus Pelaksanaan Pemberdayaan Terhadap 7 Penyandang Cacat Melalui Program RBM di Kecamatan Rantepao Tana Toraja)
>> PERAN PERSEPSI KEHARMONISAN KELUARGA DAN KONSEP DIRI TERHADAP KECENDERUNGAN KENAKALAN REMAJA
>> PENGARUH PEMBERIAN EKSTRAK DAUN SAGA, SAMBILOTO DAN PARE TERHADAP DIFERENSIASI SEL-SEL LEUKOSIT, KANDUNGAN Fe, Zn dan HORMON TESTOSTERON DALAM PLASMA BURUNG PERKUTUT (Geopelia striata L.)
>> PERANCANGAN KEMASAN TRANSPORTASI BUAH SALAK (Salacca edulis) BERBAHAN BAKU PELEPAH SALAK
>> EKSTRAKSI VANILI SECARA ENZIMATIK DARI BUAH VANILI (Vanilla planifolia ANDREWS) SEGAR
>> PENGARUH MOTIVASI KERJA APARAT TERHADAP KUALITAS LAYANAN CIVIL
  
 
 


DRadio 103.4 FM Online

Home | Profil | Kontak Kami | Buku Tamu
Redaksi Damandiri : redaksi@damandiri.or.id
Copyright © 2003 Damandiri.or.id
designed by Gemari Online
Streaming Radio DFM Jakarta

Gemari Online