ABSTRAK
Kebakaran pada ruang tertutup merupakan fenomena kompleks yang melibatkan proses pembakaran, perpindahan panas, dinamika fluida panas, pembentukan plume, dan distribusi temperatur di dalam enclosure. Distribusi temperatur menjadi parameter penting dalam analisis keselamatan kebakaran karena mempengaruhi perkembangan api, akumulasi gas panas, pembentukan upper hot layer, serta potensi kerusakan struktur akibat temperatur tinggi. Pemodelan distribusi temperatur kebakaran umumnya dilakukan menggunakan pendekatan Computational Fluid Dynamics (CFD) maupun zone model, dimana kedua metode memiliki karakteristik numerik dan representasi fisik yang berbeda. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan studi komparasi distribusi temperatur kebakaran menggunakan OpenFOAM dan Consolidated Fire and Smoke Transport (CFAST) pada ruang tertutup. OpenFOAM digunakan dengan solver fireFoam berbasis CFD, sedangkan CFAST menggunakan pendekatan two-zone model. OpenFOAM memodelkan distribusi temperatur secara spasial tiga dimensi melalui mesh CFD beresolusi tinggi, sedangkan CFAST menyederhanakan distribusi temperatur menjadi upper layer dan lower layer pada enclosure. Simulasi dilakukan pada enclosure berbentuk kubus berukuran 1 m × 1 m × 1 m menggunakan bahan bakar methane (CH₄) dilakukan visualisasi contour temperatur vertikal pada waktu simulasi 5 s, 10 s, 15 s, dan 20 s menggunakan ParaView. Sementara itu, simulasi CFAST digunakan untuk mengevaluasi perkembangan temperatur upper layer terhadap waktu. Untuk menjaga validitas komparasi numerik, analisis kuantitatif difokuskan pada rentang waktu simulasi awal ketika kedua perangkat lunak masih menunjukkan kestabilan numerik yang memadai. Hasil simulasi menunjukkan bahwa OpenFOAM mampu memodelkan distribusi temperatur dan perkembangan plume panas secara tiga dimensi dengan detail spasial tinggi. Temperatur tertinggi terbentuk pada jalur plume panas di bagian tengah enclosure dan bergerak menuju bagian atas ruang akibat efek buoyancy sehingga membentuk upper hot layer. Sebaliknya, simulasi CFAST menghasilkan distribusi temperatur yang lebih homogen akibat pendekatan two-zone model. Penelitian ini juga menunjukkan bahwa CFAST memiliki keterbatasan numerik pada kondisi enclosure kecil dengan Heat Release Rate (HRR) tinggi sehingga pada waktu simulasi lebih lanjut mulai muncul ketidakstabilan numerik. Meskipun demikian, pada rentang waktu simulasi awal kedua perangkat lunak masih menunjukkan tren peningkatan temperatur yang serupa sehingga komparasi distribusi temperatur masih dapat dilakukan secara valid. Hasil komparasi menunjukkan bahwa OpenFOAM memiliki keunggulan dalam visualisasi distribusi temperatur, analisis spasial, dan pemodelan plume panas secara detail, sedangkan CFAST memiliki keunggulan dalam efisiensi komputasi dan kesederhanaan model untuk analisis temperatur kompartemen. Penelitian ini memberikan evaluasi karakteristik distribusi temperatur kebakaran berdasarkan dua pendekatan numerik berbeda sehingga dapat memberikan pemahaman mengenai kelebihan, keterbatasan, dan validitas penggunaan masing-masing metode.
Kata Kunci :
Kebakaran ruang tertutup, distribusi temperatur, OpenFOAM, fireFoam, CFAST, CFD, two-zone model, plume panas, upper hot layer.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebakaran pada ruang tertutup merupakan salah satu fenomena yang memiliki karakteristik kompleks karena melibatkan interaksi antara proses pembakaran, perpindahan panas, dinamika fluida, pembentukan plume panas, dan distribusi temperatur di dalam enclosure. Ketika kebakaran terjadi pada ruang tertutup, panas hasil pembakaran akan terakumulasi pada bagian atas ruangan akibat efek buoyancy sehingga menyebabkan terbentuknya lapisan gas panas atau upper hot layer. Kondisi tersebut menyebabkan distribusi temperatur di dalam kompartemen menjadi tidak seragam. Distribusi temperatur merupakan parameter penting dalam analisis kebakaran karena berkaitan langsung dengan perkembangan api, penyebaran panas, kerusakan struktur bangunan, keselamatan penghuni, dan performa sistem proteksi kebakaran. Temperatur yang tinggi pada bagian atas enclosure dapat menyebabkan terjadinya thermal stratification serta meningkatkan risiko flashover apabila panas terus terakumulasi di dalam ruangan. Perkembangan teknologi simulasi numerik memungkinkan fenomena kebakaran dianalisis menggunakan pendekatan komputasi. Salah satu pendekatan yang banyak digunakan adalah Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD mampu memodelkan distribusi temperatur dan dinamika fluida panas secara detail melalui penyelesaian persamaan konservasi massa, momentum, dan energi. OpenFOAM merupakan perangkat lunak open-source berbasis CFD yang banyak digunakan dalam penelitian simulasi kebakaran.
Pada penelitian ini digunakan solver fireFoam yang dirancang khusus untuk simulasi pembakaran, perpindahan panas, dan aliran fluida akibat kebakaran. OpenFOAM memiliki kemampuan memvisualisasikan distribusi temperatur secara tiga dimensi sehingga perkembangan plume panas dapat diamati secara detail. Selain pendekatan CFD, simulasi kebakaran juga dapat dilakukan menggunakan zone model seperti Consolidated Fire and Smoke Transport (CFAST). Berbeda dengan CFD, CFAST menggunakan pendekatan two-zone model yang membagi ruang menjadi upper hot layer dan lower cool layer. Pendekatan tersebut membuat simulasi CFAST memiliki kebutuhan komputasi lebih rendah dibandingkan CFD. Meskipun OpenFOAM dan CFAST sama-sama digunakan untuk simulasi kebakaran, kedua perangkat lunak tersebut memiliki karakteristik pendekatan numerik yang berbeda. OpenFOAM menghasilkan distribusi temperatur secara detail dengan resolusi spasial tinggi, sedangkan CFAST menghasilkan temperatur rata-rata berdasarkan lapisan gas panas dan dingin. Perbedaan pendekatan tersebut menyebabkan hasil distribusi temperatur yang dihasilkan juga memiliki karakteristik berbeda. Oleh karena itu, diperlukan analisis komparasi antara OpenFOAM dan CFAST untuk mengetahui kemampuan masing-masing metode dalam memprediksi distribusi temperatur kebakaran pada ruang tertutup. Penelitian ini dilakukan untuk membandingkan distribusi temperatur kebakaran menggunakan OpenFOAM dan CFAST pada ruang tertutup sehingga dapat diketahui karakteristik distribusi temperatur, perkembangan plume panas, serta kelebihan dan keterbatasan masing-masing metode simulasi. Meskipun OpenFOAM dan CFAST telah banyak digunakan dalam simulasi kebakaran, perbedaan karakter distribusi temperatur akibat pendekatan CFD dan two-zone model masih memerlukan kajian lebih lanjut, khususnya pada simulasi kebakaran ruang tertutup berukuran kecil. Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan untuk mengevaluasi karakter distribusi temperatur, perkembangan plume panas, serta validitas komparasi antara OpenFOAM dan CFAST berdasarkan pendekatan numerik yang berbeda.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah pada penelitian ini adalah:
- Bagaimana distribusi temperatur kebakaran pada ruang tertutup menggunakan OpenFOAM?
- Bagaimana distribusi temperatur kebakaran pada ruang tertutup menggunakan CFAST?
- Bagaimana perkembangan plume panas pada simulasi OpenFOAM?
- Bagaimana karakteristik upper hot layer pada simulasi CFAST?
- Bagaimana perbandingan distribusi temperatur antara OpenFOAM dan CFAST?
- Bagaimana perbedaan karakteristik numerik antara pendekatan CFD dan zone model?
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah:
- Mensimulasikan distribusi temperatur kebakaran menggunakan OpenFOAM.
- Mensimulasikan distribusi temperatur kebakaran menggunakan CFAST.
- Menganalisis perkembangan plume panas pada simulasi OpenFOAM.
- Menganalisis temperatur upper layer pada simulasi CFAST.
- Membandingkan karakteristik distribusi temperatur antara OpenFOAM dan CFAST.
- Mengevaluasi karakteristik pendekatan CFD dan zone model pada simulasi kebakaran ruang tertutup.
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah:
- Memberikan pemahaman mengenai simulasi kebakaran menggunakan pendekatan CFD dan zone model.
- Menjadi referensi penelitian simulasi kebakaran menggunakan OpenFOAM dan CFAST.
- Memberikan gambaran distribusi temperatur pada kebakaran ruang tertutup.
- Menjadi referensi analisis komparasi antara OpenFOAM dan CFAST.
- Memberikan pemahaman mengenai karakteristik plume panas dan upper hot layer.
- Menjadi dasar pengembangan penelitian simulasi kebakaran selanjutnya
1.5 Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini dibatasi pada beberapa ruang lingkup berikut:
- Simulasi dilakukan pada ruang tertutup berbentuk kubus.
- Dimensi enclosure sebesar:
- Bahan bakar yang digunakan adalah methane:
- Simulasi CFD dilakukan menggunakan OpenFOAM dengan solver fireFoam.
- Simulasi zone model dilakukan menggunakan CFAST.
- Analisis difokuskan pada distribusi temperatur dan plume panas.
- Simulasi dilakukan tanpa ventilasi mekanis.
- Simulasi dilakukan tanpa sistem sprinkler atau suppression.
- Simulasi dilakukan pada waktu:
- 5 s
- 10 s
- 15 s
- 20 s
- Visualisasi hasil OpenFOAM dilakukan menggunakan ParaView.
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan pada penelitian ini terdiri dari lima bab.
BAB I membahas latar belakang penelitian, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, ruang lingkup penelitian, dan sistematika penulisan.
BAB II membahas tinjauan pustaka mengenai kebakaran ruang tertutup, perpindahan panas, Computational Fluid Dynamics (CFD), OpenFOAM, fireFoam, CFAST, plume panas, dan distribusi temperatur.
BAB III membahas metodologi penelitian yang meliputi geometri simulasi, parameter simulasi OpenFOAM dan CFAST, pembuatan mesh, proses simulasi numerik, serta metode pengolahan data dan visualisasi hasil.
BAB IV membahas hasil simulasi distribusi temperatur menggunakan OpenFOAM dan CFAST, perkembangan plume panas, pembentukan upper hot layer, serta analisis komparasi distribusi temperatur antara kedua metode simulasi.
BAB V membahas kesimpulan penelitian dan saran untuk pengembangan penelitian selanjutnya.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.2 Distribusi Temperatur pada Kebakaran
Distribusi temperatur merupakan penyebaran nilai temperatur pada seluruh bagian enclosure selama proses kebakaran berlangsung. Distribusi temperatur pada ruang tertutup umumnya tidak seragam karena dipengaruhi oleh plume panas dan akumulasi gas panas pada bagian atas ruangan.
Pada kebakaran kompartemen, temperatur tertinggi umumnya berada pada jalur plume panas dan bagian upper hot layer. Temperatur pada bagian bawah ruangan cenderung lebih rendah karena bercampur dengan udara dingin.
Perkembangan distribusi temperatur pada ruang tertutup dapat dibagi menjadi beberapa tahapan:
- Tahap ignition
- Tahap plume development
- Tahap upper layer formation
- Tahap thermal stratification
Pada tahap ignition, temperatur tinggi masih berada di sekitar sumber api. Seiring bertambahnya waktu simulasi, plume panas berkembang menuju bagian atas ruangan dan menyebabkan terbentuknya lapisan gas panas pada upper region enclosure. Distribusi temperatur dipengaruhi oleh perpindahan panas konveksi, konduksi, dan radiasi.
2.3 Perpindahan Panas pada Kebakaran
2.3.1 Perpindahan Panas Konduksi
Perpindahan panas konduksi merupakan perpindahan panas melalui media padat akibat gradien temperatur.
Persamaan perpindahan panas konduksi dinyatakan dengan hukum Fourier:
Keterangan:
= laju perpindahan panas
= konduktivitas termal
= luas permukaan
= gradien temperatur
Pada penelitian ini perpindahan panas konduksi tidak dimodelkan secara detail pada material dinding, namun efek perpindahan panas tetap direpresentasikan melalui boundary condition dan distribusi temperatur gas panas.
2.3.2 Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas konveksi merupakan perpindahan panas akibat pergerakan fluida panas.
Persamaan perpindahan panas konveksi:
Keterangan:
= koefisien konveksi
= temperatur permukaan
= temperatur lingkungan
Perpindahan panas konveksi menjadi mekanisme dominan pada plume panas selama simulasi kebakaran.
2.3.3 Perpindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas radiasi merupakan perpindahan energi panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik.
Persamaan perpindahan panas radiasi dinyatakan dengan persamaan Stefan-Boltzmann:
Keterangan:
= emissivity
= konstanta Stefan-Boltzmann
= luas permukaan
= temperatur permukaan
= temperatur lingkungan
Pada kebakaran ruang tertutup, radiasi panas berkontribusi terhadap peningkatan temperatur enclosure.
2.4 Computational Fluid Dynamics (CFD)
Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan fenomena aliran fluida dan perpindahan panas menggunakan pendekatan komputasi. CFD bekerja dengan menyelesaikan persamaan konservasi massa, momentum, dan energi pada domain simulasi yang telah dibagi menjadi mesh numerik.
Keunggulan CFD pada simulasi kebakaran adalah kemampuannya dalam:
- Memodelkan distribusi temperatur secara detail
- Memvisualisasikan plume panas
- Menganalisis dinamika aliran fluida panas
- Menampilkan gradien temperatur secara spasial
- Memodelkan perkembangan temperatur terhadap waktu
Pada penelitian ini pendekatan CFD digunakan melalui OpenFOAM dengan solver fireFoam.
2.5 OpenFOAM dan fireFoam
OpenFOAM merupakan perangkat lunak open-source berbasis CFD yang banyak digunakan dalam penelitian simulasi fluida dan perpindahan panas. Pada penelitian ini digunakan solver fireFoam untuk memodelkan distribusi temperatur kebakaran pada ruang tertutup.
fireFoam mampu memodelkan:
- Pembakaran
- Perpindahan panas
- Turbulensi
- Distribusi temperatur
- Pergerakan plume panas
OpenFOAM menyelesaikan persamaan konservasi massa, momentum, dan energi secara numerik.
2.5.1 Persamaan Konservasi Massa
Keterangan:
= densitas fluida
= vektor kecepatan
Persamaan ini menunjukkan bahwa massa fluida tetap terkonservasi selama simulasi berlangsung.
2.5.2 Persamaan Momentum
Keterangan:
= tekanan
= viskositas dinamis
= percepatan gravitasi
Persamaan momentum digunakan untuk memodelkan pergerakan plume panas akibat gaya buoyancy.
2.5.3 Persamaan Energi
Keterangan:
= panas jenis
= temperatur
= konduktivitas termal
= heat release rate
Persamaan energi digunakan untuk menghitung distribusi temperatur selama simulasi kebakaran berlangsung.
2.6 Reaksi Pembakaran Methane
Pada penelitian ini digunakan methane sebagai bahan bakar simulasi.
Reaksi pembakaran methane:
Pembakaran methane menghasilkan energi panas yang menyebabkan peningkatan temperatur enclosure.
Nilai heat of combustion methane:
Methane dipilih karena memiliki karakteristik pembakaran yang relatif stabil dan umum digunakan pada simulasi kebakaran numerik.
2.7 CFAST
Consolidated Fire and Smoke Transport (CFAST) merupakan perangkat lunak simulasi kebakaran berbasis zone model yang dikembangkan oleh National Institute of Standards and Technology (NIST). Berbeda dengan CFD, CFAST menggunakan pendekatan two-zone model dimana ruangan dibagi menjadi dua lapisan utama:
- Upper hot layer
- Lower cool layer
Pada pendekatan ini temperatur tidak dihitung secara detail pada seluruh domain, melainkan dihitung sebagai temperatur rata-rata pada masing-masing lapisan. Pendekatan two-zone model membuat simulasi CFAST memiliki kebutuhan komputasi lebih rendah dibandingkan CFD.
Persamaan keseimbangan energi pada upper layer:
Keterangan:
= heat release rate
= laju massa
= panas jenis
= perubahan temperatur
CFAST digunakan untuk memprediksi perkembangan temperatur upper layer akibat akumulasi gas panas hasil pembakaran.
2.8 Plume Panas
Plume panas merupakan aliran gas panas yang bergerak menuju bagian atas enclosure akibat gaya buoyancy. Pergerakan plume panas dipengaruhi oleh perbedaan temperatur dan densitas antara gas panas hasil pembakaran dan udara sekitar.
Hubungan gaya buoyancy terhadap temperatur dapat dinyatakan sebagai:
Keterangan:
= gaya buoyancy
= percepatan gravitasi
= koefisien ekspansi termal
= temperatur gas panas
= temperatur lingkungan
Semakin tinggi temperatur hasil pembakaran maka plume panas akan bergerak lebih cepat menuju bagian atas enclosure.
2.9 Komparasi OpenFOAM dan CFAST
OpenFOAM dan CFAST memiliki pendekatan numerik yang berbeda dalam memodelkan distribusi temperatur kebakaran. OpenFOAM menggunakan pendekatan CFD tiga dimensi sehingga mampu menghasilkan distribusi temperatur detail secara spasial. Sebaliknya, CFAST menggunakan pendekatan zone model sehingga temperatur direpresentasikan sebagai temperatur rata-rata pada upper layer dan lower layer.
Keunggulan OpenFOAM:
- Distribusi temperatur detail
- Visualisasi plume panas
- Analisis spasial lebih baik
- Mampu memodelkan dinamika aliran fluida
Kelemahan OpenFOAM:
- Waktu komputasi lebih lama
- Membutuhkan mesh numerik
- Membutuhkan sumber daya komputer lebih besar
Keunggulan CFAST:
- Komputasi cepat
- Model sederhana
- Efisien untuk analisis awal
Kelemahan CFAST:
- Tidak menghasilkan distribusi temperatur tiga dimensi
- Tidak memvisualisasikan plume panas secara detail
- Akurasi spasial lebih rendah dibanding CFD
Pada penelitian ini komparasi dilakukan berdasarkan:
- Distribusi temperatur
- Perkembangan plume panas
- Upper hot layer
- Karakteristik simulasi
- Efisiensi komputasi
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Umum
Penelitian ini menggunakan pendekatan simulasi numerik untuk menganalisis distribusi temperatur kebakaran pada ruang tertutup menggunakan dua metode simulasi yang berbeda, yaitu:
- Computational Fluid Dynamics (CFD) menggunakan OpenFOAM dengan solver fireFoam.
- Zone model menggunakan Consolidated Fire and Smoke Transport (CFAST).
Metode penelitian dilakukan secara komparatif untuk mengevaluasi karakteristik distribusi temperatur yang dihasilkan oleh kedua perangkat lunak simulasi tersebut. Pada penelitian ini, OpenFOAM digunakan untuk memodelkan distribusi temperatur secara tiga dimensi dan perkembangan plume panas secara detail, sedangkan CFAST digunakan untuk memodelkan perkembangan temperatur upper hot layer menggunakan pendekatan two-zone model. Tahapan penelitian dilakukan mulai dari pembuatan geometri, penentuan parameter simulasi, proses simulasi numerik, visualisasi hasil simulasi, hingga analisis distribusi temperatur dan komparasi hasil antara OpenFOAM dan CFAST.
3.2 Diagram Alir Penelitian
Tahapan penelitian dilakukan sesuai diagram alir berikut:
- Studi literatur
- Penentuan geometri simulasi
- Pembuatan mesh numerik
- Penentuan parameter pembakaran methane
- Setup simulasi OpenFOAM
- Setup simulasi CFAST
- Proses simulasi numerik
- Pengambilan data temperatur
- Visualisasi contour temperatur
- Analisis plume panas
- Komparasi distribusi temperatur OpenFOAM dan CFAST
- Penyusunan laporan penelitian
Diagram alir penelitian menunjukkan bahwa kedua metode simulasi dianalisis secara paralel sehingga hasil distribusi temperatur dapat dibandingkan secara langsung.
3.3 Geometri Simulasi
Geometri simulasi pada penelitian ini berupa ruang tertutup berbentuk kubus dengan dimensi:
3.3.1 Gambar Geometri Simulasi OpenFOAM
3.3.2 Gambar Geometri Simulasi CFAST
Pemilihan geometri sederhana dilakukan untuk memfokuskan penelitian pada analisis distribusi temperatur dan perkembangan plume panas tanpa dipengaruhi oleh kompleksitas bentuk ruangan.
Pada simulasi ini sumber api methane ditempatkan pada bagian tengah bawah enclosure sehingga plume panas dapat berkembang secara vertikal menuju bagian atas ruang.
Karakteristik enclosure pada penelitian ini adalah:
| Parameter | Nilai |
| Panjang ruang | 1 m |
| Lebar ruang | 1 m |
| Tinggi ruang | 1 m |
| Jenis enclosure | Ruang tertutup |
| Ventilasi | Tidak ada |
| Sistem suppression | Tidak ada |
Ruang simulasi dibuat tanpa ventilasi mekanis untuk mempermudah analisis perkembangan temperatur dan pembentukan upper hot layer.
3.4 Mesh Numerik OpenFOAM
Pada simulasi OpenFOAM, domain simulasi dibagi menjadi mesh numerik menggunakan blockMesh.
Jumlah mesh yang digunakan adalah:
Gambar 3.4.1 Mesh Numerik OpenFOAM
Mesh digunakan untuk membagi domain simulasi menjadi sel-sel numerik sehingga persamaan CFD dapat diselesaikan secara numerik. Penggunaan mesh yang lebih rapat memungkinkan distribusi temperatur divisualisasikan lebih detail, namun meningkatkan kebutuhan komputasi. Pada penelitian ini digunakan mesh seragam untuk menjaga kestabilan numerik dan mempermudah analisis distribusi temperatur.
3.5 Parameter Simulasi OpenFOAM
Simulasi CFD dilakukan menggunakan solver fireFoam pada OpenFOAM.
Parameter simulasi yang digunakan ditunjukkan pada tabel berikut.
| Parameter | Nilai |
| Solver | fireFoam |
| Mesh | 60 × 60 × 60 |
| Temperatur awal | 300 K |
| Fuel | CH4 |
| Waktu simulasi | 20 s |
| Kondisi ruang | Closed compartment |
Solver fireFoam digunakan karena mampu memodelkan:
- Pembakaran
- Distribusi temperatur
- Pergerakan plume panas
- Perpindahan panas
- Dinamika fluida panas
Pada simulasi ini bahan bakar yang digunakan adalah methane .
Reaksi pembakaran methane dinyatakan sebagai:
Panas pembakaran methane:
Simulasi dilakukan selama:
untuk mengamati perkembangan plume panas dan distribusi temperatur terhadap waktu.
3.6 Persamaan Dasar Simulasi CFD
OpenFOAM menyelesaikan persamaan konservasi massa, momentum, dan energi.
3.6.1 Persamaan Konservasi Massa
Persamaan ini menunjukkan bahwa massa fluida tetap terkonservasi selama simulasi berlangsung.
3.6.2 Persamaan Momentum
Persamaan momentum digunakan untuk memodelkan pergerakan plume panas akibat efek buoyancy.
Keterangan:
= densitas fluida
= kecepatan fluida
= tekanan
= viskositas dinamis
= percepatan gravitasi
3.6.3 Persamaan Energi
Keterangan:
= panas jenis
= temperatur
= konduktivitas termal
= heat release rate
Persamaan energi digunakan untuk menghitung distribusi temperatur selama simulasi kebakaran berlangsung.
3.7 Parameter Simulasi CFAST
Simulasi CFAST dilakukan menggunakan pendekatan two-zone model.
Pada pendekatan ini enclosure dibagi menjadi:
- Upper hot layer
- Lower cool layer
Gambar 3.4.1 two-zone model CFAST
Parameter simulasi CFAST ditunjukkan pada tabel berikut.
| Parameter | Nilai |
| Kompartemen | 1 m × 1 m × 1 m |
| Fuel | CH4 |
| Peak HRR | 50 kW |
| Heat of Combustion | 50000 kJ/kg |
| Radiative Fraction | 0.3 |
| Ventilasi | Tidak ada |
Pendekatan two-zone model membuat simulasi CFAST memiliki kebutuhan komputasi lebih rendah dibandingkan CFD.
Persamaan keseimbangan energi pada upper layer:
Keterangan:
= heat release rate
= laju massa
= panas jenis
= perubahan temperatur
3.8 Visualisasi Hasil Simulasi
Hasil simulasi OpenFOAM divisualisasikan menggunakan ParaView.
Visualisasi dilakukan dalam bentuk:
- Vertical temperature contour
- Temperature distribution
- Plume development
Analisis temperatur dilakukan pada waktu:
Contour temperatur vertikal digunakan untuk mengamati perkembangan plume panas dan distribusi temperatur pada enclosure.
Hasil simulasi CFAST divisualisasikan dalam bentuk grafik temperatur upper layer terhadap waktu.
3.9 Metode Analisis
Analisis penelitian dilakukan berdasarkan:
- Distribusi temperatur
- Perkembangan plume panas
- Upper hot layer temperature
- Karakteristik distribusi temperatur
- Komparasi OpenFOAM dan CFAST
Distribusi temperatur pada OpenFOAM dianalisis berdasarkan contour temperatur dan perkembangan plume panas.
Sedangkan hasil simulasi CFAST dianalisis berdasarkan perkembangan temperatur upper layer.
Komparasi dilakukan untuk mengevaluasi:
- Perbedaan pendekatan numerik
- Karakteristik distribusi temperatur
- Efisiensi komputasi
- Kemampuan visualisasi plume panas
- Karakteristik prediksi temperatur
Melalui analisis tersebut dapat diketahui kelebihan dan keterbatasan masing-masing metode simulasi dalam memprediksi distribusi temperatur kebakaran pada ruang tertutup.
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Umum
Bab ini membahas hasil simulasi distribusi temperatur kebakaran menggunakan OpenFOAM dan CFAST pada ruang tertutup. Analisis dilakukan untuk mengevaluasi perkembangan temperatur, plume panas, pembentukan upper hot layer, serta karakteristik distribusi temperatur yang dihasilkan oleh kedua metode simulasi. Pada penelitian ini simulasi OpenFOAM dilakukan menggunakan solver fireFoam dengan pendekatan Computational Fluid Dynamics (CFD), sedangkan simulasi CFAST dilakukan menggunakan pendekatan two-zone model.
Distribusi temperatur dianalisis pada waktu simulasi:
Visualisasi hasil OpenFOAM dilakukan menggunakan ParaView dalam bentuk contour temperatur vertikal, sedangkan hasil simulasi CFAST dianalisis berdasarkan perkembangan temperatur upper layer.
4.2 Hasil Simulasi OpenFOAM
4.2.1 Distribusi Temperatur pada t = 5 s
Pada waktu simulasi 5 s terlihat bahwa temperatur tinggi mulai terbentuk pada area sumber api methane. Distribusi temperatur masih terkonsentrasi pada bagian tengah bawah enclosure. Gas panas hasil pembakaran mulai bergerak menuju bagian atas ruangan akibat gaya buoyancy. Pada tahap awal simulasi ini plume panas masih relatif kecil dan belum mencapai seluruh bagian upper enclosure. Perbedaan temperatur antara gas panas dan udara sekitar menyebabkan terbentuknya gradien temperatur pada domain simulasi. Fenomena plume panas pada tahap awal simulasi dipengaruhi oleh perpindahan panas konveksi.
Gambar 4.2.1 Grafik Temperature terhadap Waktu OpenFOAM
Persamaan perpindahan panas konveksi:
Keterangan:
= laju perpindahan panas
= koefisien konveksi
= luas permukaan
= temperatur permukaan
= temperatur lingkungan
Pada tahap ini distribusi temperatur masih bersifat lokal di sekitar sumber api.
4.2.2 Distribusi Temperatur pada t = 10 s
Pada waktu simulasi 10 s plume panas berkembang lebih besar dibandingkan kondisi sebelumnya. Temperatur tinggi mulai bergerak secara vertikal menuju bagian atas enclosure. Perkembangan plume panas menunjukkan bahwa energi panas hasil pembakaran methane mulai terakumulasi pada bagian upper region enclosure. Distribusi temperatur pada bagian tengah ruangan menunjukkan peningkatan temperatur yang cukup signifikan dibandingkan kondisi awal simulasi. Pergerakan plume panas dipengaruhi oleh efek buoyancy akibat perbedaan densitas antara gas panas dan udara sekitar.
Gambar 4.2.2 Grafik Temperature terhadap Waktu OpenFOAM
Hubungan gaya buoyancy terhadap temperatur dapat dituliskan sebagai:
Keterangan:
= gaya buoyancy
= percepatan gravitasi
= koefisien ekspansi termal
= temperatur gas panas
= temperatur lingkungan
Semakin tinggi temperatur hasil pembakaran maka plume panas akan bergerak lebih cepat menuju bagian atas enclosure.
4.2.3 Distribusi Temperatur pada t = 15 s
Pada waktu simulasi 15 s distribusi temperatur menunjukkan perkembangan plume panas yang lebih stabil. Temperatur tinggi mulai mendominasi bagian upper enclosure. Akumulasi gas panas pada bagian atas ruangan menyebabkan terbentuknya upper hot layer. Kondisi ini merupakan karakteristik umum kebakaran pada ruang tertutup dimana panas tidak dapat terdisipasi secara langsung ke lingkungan luar. Contour temperatur menunjukkan bahwa gradien temperatur mulai terbentuk antara upper hot layer dan lower region enclosure. Distribusi temperatur pada OpenFOAM memperlihatkan variasi spasial yang detail sehingga perkembangan plume panas dapat diamati secara visual. Pada tahap ini perpindahan panas radiasi mulai memberikan kontribusi terhadap distribusi temperatur enclosure.
Gambar 4.2.3 Grafik Temperature terhadap Waktu OpenFOAM
Persamaan perpindahan panas radiasi:
Keterangan:
= emissivity
= konstanta Stefan-Boltzmann
= luas permukaan
= temperatur permukaan
= temperatur lingkungan
Perpindahan panas radiasi menyebabkan temperatur enclosure meningkat secara bertahap.
4.2.4 Distribusi Temperatur pada t = 20 s
Pada waktu simulasi 20 s plume panas menunjukkan kondisi yang lebih stabil dibandingkan waktu simulasi sebelumnya. Temperatur tertinggi tetap berada pada bagian tengah vertikal enclosure yang merupakan jalur utama plume panas. Distribusi temperatur pada upper enclosure menunjukkan temperatur yang lebih tinggi dibandingkan bagian bawah ruangan akibat akumulasi gas panas. Pada area dekat dinding temperatur relatif lebih rendah dibandingkan bagian plume utama. Hal ini terjadi akibat perpindahan panas menuju batas domain serta berkurangnya intensitas plume panas pada area pinggir enclosure.Contour temperatur pada tahap ini menunjukkan bahwa OpenFOAM mampu memvisualisasikan distribusi temperatur secara detail dan memperlihatkan perkembangan plume panas secara spasial.
Gambar 4.2.3 Grafik Temperature terhadap Waktu OpenFOAM
4.3 Analisis Perkembangan Plume Panas
Plume panas merupakan aliran gas panas hasil pembakaran yang bergerak menuju bagian atas enclosure akibat efek buoyancy.Pada penelitian ini perkembangan plume panas diamati menggunakan contour temperatur vertikal hasil simulasi OpenFOAM. Pada awal simulasi plume panas masih terkonsentrasi di sekitar sumber api. Seiring bertambahnya waktu simulasi, plume panas berkembang menuju bagian atas enclosure dan membentuk upper hot layer. Perkembangan plume panas menunjukkan bahwa distribusi temperatur pada ruang tertutup dipengaruhi secara signifikan oleh pergerakan gas panas akibat perbedaan densitas.
Hubungan buoyancy terhadap temperatur dapat dituliskan sebagai:
Semakin tinggi temperatur hasil pembakaran maka gaya buoyancy semakin besar sehingga plume panas bergerak lebih cepat menuju bagian atas enclosure. Distribusi plume panas pada OpenFOAM memperlihatkan karakteristik tiga dimensi yang tidak dapat divisualisasikan secara detail menggunakan zone model.
4.4 Hasil Simulasi CFAST
Simulasi CFAST dilakukan menggunakan pendekatan two-zone model dimana enclosure dibagi menjadi:
- Upper hot layer
- Lower cool layer
Pada simulasi ini CFAST menghitung temperatur rata-rata pada masing-masing lapisan berdasarkan keseimbangan energi dan massa.
Persamaan keseimbangan energi pada upper layer:
Keterangan:
= heat release rate
= laju massa
= panas jenis
= perubahan temperatur
Hasil simulasi menunjukkan bahwa temperatur upper layer meningkat seiring bertambahnya waktu simulasi. Pada tahap awal simulasi peningkatan temperatur masih relatif kecil karena plume panas belum berkembang secara signifikan. Seiring bertambahnya waktu simulasi, gas panas hasil pembakaran mulai terakumulasi pada upper enclosure sehingga temperatur upper layer meningkat secara bertahap. Berbeda dengan OpenFOAM, CFAST tidak menghasilkan distribusi temperatur tiga dimensi secara detail. Namun demikian, CFAST mampu memberikan prediksi temperatur kompartemen dengan waktu komputasi yang lebih cepat. Pendekatan two-zone model menyebabkan distribusi temperatur direpresentasikan dalam bentuk temperatur rata-rata lapisan panas dan lapisan dingin.
Gambar 4.4.1 Grafik Temperature terhadap Waktu CFAST
4.5 Komparasi Distribusi Temperatur OpenFOAM dan CFAST
Komparasi dilakukan berdasarkan karakteristik distribusi temperatur dan perkembangan plume panas yang dihasilkan oleh OpenFOAM dan CFAST. OpenFOAM menghasilkan distribusi temperatur secara tiga dimensi sehingga plume panas dan gradien temperatur dapat divisualisasikan secara detail. Sebaliknya, CFAST menghasilkan temperatur rata-rata berdasarkan upper hot layer dan lower cool layer. Perbedaan utama kedua metode terletak pada pendekatan numerik yang digunakan. OpenFOAM menggunakan pendekatan Computational Fluid Dynamics (CFD) dengan penyelesaian persamaan konservasi massa, momentum, dan energi. CFAST menggunakan pendekatan zone model dengan asumsi temperatur rata-rata pada masing-masing lapisan enclosure.
Keunggulan OpenFOAM:
- Distribusi temperatur detail
- Visualisasi plume panas
- Analisis spasial lebih baik
- Mampu memodelkan dinamika fluida panas secara detail
Kelemahan OpenFOAM:
- Waktu komputasi lebih lama
- Membutuhkan mesh numerik
- Membutuhkan sumber daya komputer lebih besar
Keunggulan CFAST:
- Komputasi cepat
- Model sederhana
- Efisien untuk analisis awal
- Mudah digunakan
Kelemahan CFAST:
- Tidak menghasilkan distribusi temperatur tiga dimensi
- Tidak memvisualisasikan plume panas secara detail
- Akurasi spasial lebih rendah dibanding CFD
Hasil penelitian menunjukkan bahwa OpenFOAM lebih unggul dalam memodelkan distribusi temperatur detail dan perkembangan plume panas. Namun demikian, CFAST tetap efektif digunakan untuk prediksi temperatur kompartemen secara sederhana dengan kebutuhan komputasi lebih rendah.
4.6 Analisis Distribusi Temperatur
Distribusi temperatur pada penelitian ini menunjukkan bahwa temperatur tertinggi berada pada jalur plume panas di tengah enclosure. Temperatur meningkat secara bertahap pada bagian upper enclosure akibat akumulasi gas panas hasil pembakaran methane. OpenFOAM memperlihatkan distribusi temperatur secara detail sehingga gradien temperatur dan perkembangan plume panas dapat diamati secara visual. Sebaliknya, CFAST memperlihatkan perkembangan temperatur berdasarkan pendekatan upper hot layer dan lower cool layer. Meskipun kedua metode menggunakan pendekatan numerik berbeda, hasil simulasi menunjukkan tren perkembangan temperatur yang serupa dimana temperatur meningkat seiring bertambahnya waktu simulasi. Hal tersebut menunjukkan bahwa OpenFOAM dan CFAST dapat digunakan untuk simulasi distribusi temperatur kebakaran pada ruang tertutup dengan karakteristik analisis yang berbeda.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
Penelitian ini dilakukan untuk menganalisis dan membandingkan distribusi temperatur kebakaran pada ruang tertutup menggunakan dua metode simulasi numerik yang berbeda, yaitu OpenFOAM dengan solver fireFoam dan Consolidated Fire and Smoke Transport (CFAST).
Berdasarkan hasil simulasi dan analisis yang telah dilakukan, diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut:
- Simulasi OpenFOAM menggunakan solver fireFoam mampu memodelkan distribusi temperatur kebakaran secara tiga dimensi dengan detail spasial yang tinggi. Distribusi temperatur dapat divisualisasikan dalam bentuk contour temperatur vertikal sehingga perkembangan plume panas dapat diamati secara jelas.
- Hasil simulasi OpenFOAM menunjukkan bahwa plume panas berkembang secara vertikal menuju bagian atas enclosure akibat gaya buoyancy. Perkembangan plume panas menyebabkan terbentuknya upper hot layer pada bagian atas ruang tertutup.
- Distribusi temperatur pada OpenFOAM menunjukkan bahwa temperatur tertinggi berada pada jalur plume panas di tengah enclosure, sedangkan temperatur pada area dekat dinding relatif lebih rendah akibat perpindahan panas menuju batas domain.
- Simulasi CFAST menggunakan pendekatan two-zone model mampu memprediksi perkembangan temperatur upper hot layer dengan waktu komputasi yang lebih cepat dibandingkan OpenFOAM.
- Hasil simulasi CFAST menunjukkan bahwa temperatur upper layer meningkat secara bertahap seiring bertambahnya waktu simulasi akibat akumulasi gas panas hasil pembakaran methane.
- OpenFOAM dan CFAST memiliki karakteristik pendekatan numerik yang berbeda. OpenFOAM menggunakan pendekatan Computational Fluid Dynamics (CFD) sehingga mampu memodelkan distribusi temperatur dan dinamika plume panas secara detail, sedangkan CFAST menggunakan pendekatan zone model yang merepresentasikan temperatur sebagai temperatur rata-rata lapisan panas dan lapisan dingin.
- OpenFOAM memiliki keunggulan dalam visualisasi distribusi temperatur, analisis spasial, dan pemodelan plume panas, namun membutuhkan waktu komputasi dan sumber daya komputer yang lebih besar.
- CFAST memiliki keunggulan dalam efisiensi komputasi dan kesederhanaan model sehingga lebih efektif digunakan untuk prediksi awal temperatur kebakaran kompartemen.
- Meskipun menggunakan pendekatan numerik yang berbeda, hasil simulasi OpenFOAM dan CFAST menunjukkan tren distribusi temperatur yang serupa dimana temperatur meningkat seiring bertambahnya waktu simulasi.
- Hasil penelitian menunjukkan bahwa OpenFOAM dan CFAST dapat digunakan sebagai metode simulasi distribusi temperatur kebakaran pada ruang tertutup dengan karakteristik analisis yang berbeda namun saling melengkapi.
5.2 Saran
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, beberapa saran untuk pengembangan penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut:
- Penelitian selanjutnya dapat menggunakan geometri enclosure yang lebih kompleks untuk menganalisis distribusi temperatur pada kondisi bangunan nyata.
- Penelitian selanjutnya dapat menambahkan ventilasi alami maupun ventilasi mekanis untuk menganalisis pengaruh ventilasi terhadap distribusi temperatur dan perkembangan plume panas.
- Penelitian selanjutnya dapat menambahkan material dinding dan perpindahan panas konduksi secara detail sehingga interaksi termal antara gas panas dan struktur bangunan dapat dianalisis lebih lanjut.
- Penelitian selanjutnya dapat menggunakan variasi Heat Release Rate (HRR) untuk mengevaluasi pengaruh laju pelepasan panas terhadap distribusi temperatur kebakaran.
- Penelitian selanjutnya dapat menambahkan simulasi smoke layer dan soot formation untuk memperluas analisis kebakaran ruang tertutup.
- Penelitian selanjutnya dapat melakukan mesh sensitivity study pada OpenFOAM untuk mengevaluasi pengaruh ukuran mesh terhadap hasil distribusi temperatur.
- Penelitian selanjutnya dapat melakukan validasi eksperimental untuk meningkatkan akurasi hasil simulasi numerik.
- Penelitian selanjutnya dapat melakukan analisis komparasi dengan perangkat lunak simulasi kebakaran lainnya untuk mengevaluasi karakteristik distribusi temperatur menggunakan metode simulasi yang berbeda.
- Penelitian selanjutnya dapat melakukan analisis distribusi temperatur pada waktu simulasi yang lebih panjang untuk mengamati perkembangan upper hot layer dan thermal stratification secara lebih detail.
- Penelitian selanjutnya dapat mengembangkan penelitian ini sebagai dasar analisis keselamatan kebakaran pada bangunan dan enclosure yang lebih kompleks.
