Zuherna Mizwar zuemizwar@gmail.com 085274238402 HIDROLIKA 1 UBH 2017 Zuherna Mizwar zuemizwar@gmail.com 085274238402

PERTEMUAN 14-15 Aliran berubah lambat laun Metode perhitungan aliran teratur dan tak teratur,

Aliran berubah lambat laun Aliran berubah lambat laun pada saluran terbuka berbeda dengan aliran seragam maupun aliran berubah tiba-tiba (loncat air), dimana kedalaman air pada saluran berubah secara gradual terhadap jarak. Dalam aliran seragam kedalaman air adalah konstan yang dikenal dengan nama kedalaman normal.

Garis kemiringan energi sejajar dengan garis muka air dan garis dasar saluran. Distribusi kecepatan tetap sepanjang saluran, sehingga perhitungan kedalaman air cukup dilakukan sekali sepanjang saluran

Pada aliran berubah tiba-tiba, seperti pada loncatan air, kedalaman air berubah secara cepat pada jarak yang pendek. Terjadi perubahan kecepatan air secara signifikan disertai dengan perubahan penampang basah saluran yang sangat cepat. Dengan laju perlambatan aliran yang mendadak, maka terjadi kehilangan energi.

Perhitungan kedalaman air tidak dapat dilakukan dengan prinsip energi, melainkan dengan prinsip momentum Pada aliran berubah lambat laun perubahan kecepatan terjadi secara gradual terhadap jarak, sehingga pengaruh percepatan pada aliran antara dua potongan yang berdekatan dapat diabaikan. Perhitungan profil muka air dapat dilakukan berdasarkan prinsip energi.

Total energi pada sembarang potongan pada saluran terbuka dapat dinyatakan sebagai berikut: PERS 1

Untuk menghitung profil muka air, pertama-tama diperlukan variasi energi total sepanjang saluran. Untuk itu total energi, H, pers (1) perlu kita deferensialkan terhadap jarak, x, sehingga didapatkan gradien energi kearah aliran. Pers 2

dengan definisi bahwa: pers 3

dimana Sf = kemiringan garis energi, dan So = kemiringan dasar saluran. Tanda negatif pada Sf dan So menunjukkan bahwa baik H dan z menurun dengan meningkatnya X. Dengan mengintegralkan komponen terakhir persamaan (1) sebagai:

Maka pers 4

Persamaan (4) menyatakan variasi h dengan x Persamaan (4) menyatakan variasi h dengan x. Komponen kedua dari pembilang pada persamaan (4) merupakan ekspresi bilangan Froude sebagai berikut Pers 5

Sehingga persamaan (5) dapat ditulis kembali menjadi: Pers 6

Penyelesaian persamaan (5) dapat dilakukan dengan pendekatan lain, yaitu kemiringan energi pada aliran lambat laun untuk dua titik yang berdekatan (x kecil) dapat didekati dengan rumus aliran seragam. Untuk menyederhanakan penurunan rumus, mari kita tinjau saluran berbentuk persegi panjang sangat lebar, dimana A = b.h; R = h; dan Q = b.q. Berdasarkan rumus Manning kita peroleh: pers 7

Kemiringan dasar saluran dapat juga kita nyatakan serupa, dengan asumsi aliran yang terjadi adalah aliran seragam, sehingga dasar saluran sejajar garis energi (So/Sf). Dengan memberi indeks N untuk aliran seragam, maka : Pers 8

Dari persamaan (7) dan (8) dapat diperoleh pera 9 Dengan melihat bahwa:

Atau (pers 10) Persamaan (8), (9 dan (10) disubstitusikan ke dalam persamaan (4) diperoleh: Pers 11

Untuk aliran persegi B = T, sehingga persamaan (11) dapat ditulis dalam bentuk pers 12

Jika digunakan rumus Chezy, persamaan (12) menjadi: pers 13

Persamaan (13) merupakan persamaan umum untuk aliran berubah lambat laun, dimana dh/dx menggambarkan kemiringan muka air. Untuk dh/dx = 0, kedalaman air tetap konstan sepanjang saluran, dan aliran yang terjadi adalah aliran seragam. Untuk dh/dx < 0, kedalaman air berkurang ke arah aliran, sebaliknya untuk dh/dx > 0, kedalaman air meningkat kearah aliran.

Penyelesaian persamaan (13) untuk kedua kondisi ini akan kita peroleh bermacam-macam profil muka air yang mungkin terjadi pada saluran terbuka.

Klasifikasi Aliran berubah Lambat-Laun Dalam menganalisis aliran berubah lambat laun, kedalaman kritis, hcr pegang peranan sangat penting. Pada saat kedalaman air mendekati kedalaman kritis (h = hcr), penyebut pada pers (13) mendekati nol dan nilai dh/dx menjadi tak terhingga. Kemiringan muka air. menjadi sangat terjal. Kondisi ini dapat terlihat pada loncatan air atau pada kejadian dimana air dari saluran landai memasuki saluran terjal atau danau.

Bergantung pada kemiringan dasar saluran, kondisi permukaan, geometri penampang melintang, dan debit, saluran terbuka dapat diklasifikasikan kedalam lima macam. Pengelompokan ini berdasarkan kondisi aliran di saluran yang diindikasikan oleh posisi relatif kedalaman normal, hN, dan kedalaman kritis, hc, yang dihitung untuk tiap-tiap saluran. Kriterianya adalah sbb.:

Saluran datar (Horizontal channel ) So = 0 dan hN  Saluran landai (Mild channel) So < Sc dan hN > hc Saluran kritis (Critical channel) So = Sc dan hN = hc Saluran terjal (Steep channel) So > Sc dan hN < hc. Saluran menanjak (Adverse channel) So < 0

Selanjutnya, klasifikasi kurva profil muka air tergantung pada kedalaman air aktual dan hubungannya dengan kedalaman normal dan kedalaman kritis. Ratio antara h/hcr dan h/hN dapat dipakai untuk analisis selanjutnya, dimana h adalah kedalaman aktual yang terjadi pada sembarang titik yang ditinjau.

Persamaan (13) merupakan persamaan perubahan kedalaman sepanjang aliran, yang dapat kita tulis dalam bentuk lain menjadi: pers 14

Profil garis muka air (flow profile) dapat dibedakan menjadi 2 macam bentuk: 1. Air balik (backwater), jika kedalaman air, h, bertambah searah aliran (dh/dx > 0). 2. Air menurun (drawdown), jika kedalaman air, h, berkurang searah aliran (dh/dx < 0).

Apabila garis yang merupakan tempat kedudukan kedalaman air normal disebut sebagai “NORMAL DEPTH LINE” (NDL) dan garis yang merupakan tempat kedudukan kedalaman air kritis disebut sebagai “CRITICAL DEPTH LINE’ (CDL), maka untuk suatu saluran dengan debit (Q) tertentu, NDL dan CDL akan membagi kedalaman air dalam saluran menjadi 3 daerah (zone) yaitu:

Daerah 1 : ruang di atas NDL dan CDL. Daerah 2 : ruang antara NDL dan CDL, dan Daerah 3 : ruang dibawah NDL dan CDL. NDL 1 CDL 2 3 Pembagian Daerah pada Aliran Arah Vertikal

Ditinjau persamaan (14) maka profil muka air yang terjadi dapat kita dianalisis sebagai berikut: Klasifikasi aliran berubah lambat laun  

Profil Muka Air Untuk Berbagai Kemiringan Dasar Saluran Tabel. Bisa dilihat pada buku Van T Cow

Perhitungan profil muka air Ada beberapa cara yang dapat dipakai untuk menghitung profil muka air pada aliran permanen tidak beraturan, diantaranya adalah metoda Integrasi Grafis, Metoda Bresse, Metoda Deret, Metoda Flamant, Metoda Tahapan Langsung, dan Metoda Tahapan Standard.

Sebagaimana dijelaskan sebelumnya bahwa pada aliran tidak beraturan persoalannya adalah menghitung perubahan kedalaman air sepanjang jarak seperti yang dijabarkan dalam persamaan (14). Dalam bahasan berikut akan diuraikan cara penyelesaian persamaan tersebut dengan metoda yang banyak dipakai, yaitu metoda tahapan langsung, dan metoda tahapan standard.

Metoda tahapan langsung (direct step method) Metoda tahapan langsung adalah cara yang mudah dan simpel untuk menghitung profil muka air pada aliran tidak permanen. Metoda ini dikembangkan dari persamaan energi: pers 14

dimana: z = ketinggian dasar saluran dari garis referensi. h = kedalaman air dari dasar saluran. V = kecepatan rata-rata. g = percepatan gravitasi. hf = kehilangan energi karena gesekan dasar saluran.