ZUHERNA MIZWAR zmizwar@yahoo.com 081388629937 METFLU - UBH ZUHERNA MIZWAR zmizwar@yahoo.com 081388629937

Aliran Air: Apa perbedaan Open Channel dan Close Conduit/Pipe flow ?

Open Channel Hydraulics Hidrolika Saluran Terbuka Aliran dengan permukaan bebas Mengalir dibawah gaya gravitasi, dibawah tekanan udara atmosfir. - Mengalir karena adanya slope dasar saluran

Jenis Aliran Berdasarkan waktu pemantauan Aliran Tunak (Steady Flow) Aliran Taktunak (unsteady Flow) Berdasarkan ruang pemantauan Aliran Seragam (Uniform flow) Aliran Berubah (Varied flow)

Karakteristik aliran Tipe aliran Kecepatan rata-rata Kedalaman Steady, uniform V = konstan y = konstan Steady, nonuniform V = V (x) y = y (x) Unsteady, uniform V = V (t) y = y (t) Unsteady, non uniform V = V (x,t) Y = y (x,t)

Tipe aliran yang mungkin terjadi pada saluran terbuka Aliran Berubah Cepat (Rapidly Varied Flow) Aliran Berubah Lambat (Gradually varied flow) Loncatan hidrolik Penurunan hidrolik Aliran di atas ambang lebar

Klasifikasi aliran berdasarkan kekritisannya Subkritis F < 1 aliran dengan kecepatan rendah Kritis F = 1 Superkritis F > 1 aliran dengan kecepatan tinggi F = bilangan Froude, F adalah sebuah parameter non-dimensional yang menunjukkan efek relative dari efek inersia terhadap efek gravitasi. Aliran subkritis dikendalikan oleh halangan di hilir sementara aliran superkritis dipengaruhi pengendalian hulu aliran.

Saluran Terbuka Artificial Channel/Saluran Buatan Natural Channel/Saluran Alami Dibuat oleh manusia Contoh: Saluran irigasi, kanal, saluran pelimpah, kali, selokan, gorong-gorong dll Umumnya memiliki geometri saluran yang tetap (tidak menyempit/melebar) Dibangun menggunakan beton, semen, besi Memiliki kekasaran yang dapat ditentukan Analisis saluran yang telah ditentukan memberikan hasil yang relatif akurat

Natural Channel/Saluran Alami Geometri saluran tidak teratur Material saluran bervariasi – kekasaran berubah-ubah Lebih sulit memperoleh hasil yang akurat dibandingkan dengan analisis aliran saluran buatan. Perlu pembatasan masalah, bila tidak analisis menjadi lebih kompleks (misal erosi dan sedimen)

Distribusi Kecepatan Bergantung banyak faktor antara lain Bentuk saluran Kekasaran dinding saluran Debit aliran Kecepatan minimum terjadi di dekat dinding batas, membesar dengan jarak menuju permukaan Pada saluran dengan lebar 5-10 kali kedalaman, distribusi kecepatan disekitar bagian tengah saluran adalah sama. Dalam praktek saluran dianggap sangat lebar bila lebar > 10 x kedalaman 2,5 2,0 1.0

Pengukuran kecepatan aliran Menggunakan current meter Baling-baling yang berputar karena adanya aliran Menggunakan hubungan antara kecepatan sudut dan kecepatan aliran Semakin banyak titik pengukuran semakin baik Untuk keperluan praktis kecepatan rata-rata diukur pada 0,6 kali kedalaman dari muka air rerata kecepatan pada 0,2 dan 0,8 kali kedalaman 0,8-0,95 kecepatan di permukaan (biasa diambil 0,85) Kecepatan maksimum terjadi pada antara 0,75-0,95 kali kedalaman

Distribusi kecepatan berdasar kedalaman Free surface flow One dimensional model

Geometri Saluran Kedalaman (y) - depth Ketinggian di atas datum (z) - stage Luas penampang A (area – cross section area) Keliling basah (P) – wetted perimeter Lebar permukaan (B) – surface perimeter Jari-jari hidrolis – (A/P) – rasio luas terhadap keliling basah Rata-rata kedalaman hidrolis (D) – rasio luas terhadap lebar permukaan Kemiringan saluran (So)

Persamaan untuk saluran persegipanjang, trapezoidal, dan lingkaran X=1/m,

Hidraulic Radius (Rh) = A A = Luas Penampang P P = Penampang basah RUMUS CHEZY - MANNING a d e b c Hidraulic Radius (Rh) = A A = Luas Penampang P P = Penampang basah A = b + d x e 2 P = a + b + c Rh = A  0 =  Rh S0 P 0 = Gaya geseken rata-rata S0 = Channel slope (kemiringan dasar saluran)

Nilai 0 pada aliran dalam pipa 0 = V2/8  = Coefisien gesekan  = density V = Kecepatan aliran Nilai 0 pada saluran terbuka 0 =  Rh So atau 0 = h e1-2  Rh L Hubungan 0 saluran terbuka dan saluran tertutup : V2/8 =  Rh S0 V2 = 8  Rh S0 V = 8.g . Rh.S0 . f Apabila 8g = c  V = c Rh.S0 f .g Rumus Chezy C = Coef. Chezy

Manning menentukan bahwa : c = Rh1/6 n n = Koef. Kekasaran Manning Rumus Chezy : V = c Rh S0  V = c Rh1/2 S01/2 Koef. Manning  c = Rh1/6 V = Rh1/6 . Rh1/2 . S01/2  V = 1 Rh2/3 . S01/2 n n (Rumus SI unit) Sedang rumus “Chezy – Manning” untuk “British Unit” sebagai berikut : V = 1,49 Rh2/3 S01/2

Nilai Manning: Saluran Kayu n : 0.012 Saluran Concrete n : 0.013 – 0.022 Tanah Bersih n : 0.022 Tanah + Vegetasi : 0.027 – 0.035 Saluran Alami : 0.030 Saluran Belok-belok : 0.040 Saluran Penuh weed : 1.00

Saluran berbentuk segi empat berlapis Aspalt (n=0,013). Contoh: Saluran berbentuk segi empat berlapis Aspalt (n=0,013). Dengan lebar 20 ft dan kemiringan 0,0001, mengalirkan air sebesar 400 cfs. Tentukan kedalaman air (Y0) 20 Y0 A = 20 x Y0 P = 2Y0 + 20 Rh = A = 20Y0 P 2Y0 + 20 V = 1,49 Rh2/3 S01/2  British Unit h Q = A.V  400 = 20Y0 ( 1,49 x ( 20Y0 )2/3 x (0,0001)1/2 0,013 2Y0 + 20 Trial and error  Y0 = 6,85 ft

Current - Meter Dua Type : Cup Type  sama dengan untuk mengukur kecepatan udara (Anemometer) Vane Type (Propeller type) Persyaratan pengukuran dengan Current meter : Bahwa kecepatan aliran adalah berbentuk hyperbolic Kecepatan maximal berada antara 0,05y – 0,25y Kecepatan rata-rata berada ± pada 0,6y Kecepatan rata-rata ± 85% dari kecepatan di permukaan Untuk pengukuran yang lebih teliti biasanya dilakukan pada kedalaman 0,8y dan 0,2 y

Dipilih bagian aliran sungai yang lurus Cara pengukurannya : Dipilih bagian aliran sungai yang lurus Tidak terdapat aliran turbulent dan angin Lebar saluran / sungai, dibagi menjadi beberapa bagian yang lebih kurang sama contoh : Dari setiap titik (1,2,3,…,n) dilakukan pengukuran pada kedalaman 0.2y dan 0.8y. 1 2 3 4 n 0,2 0,8

HIDROLIKA : Pemilihan Bangunan Pengukur Debit Saluran Terbuka : Pemilihan suatu bangunan pengatur debit antara lain : Penampilan hidrolisnya (hydraulic performance) Biaya konstruksi dan Pemeliharaan Salah satu penampilan hidrolis yang penting adalah mengenai batas modularnya. Aliran Modular : Aliran kritis merupakan kondisi aliran yang dipakai sebagai pegangan dalam menentukan dimesi bangunan ukur debit. Pada kondisi tersebut, yang disebut sebagai keadaan aliran modular bilamana suatu kondisi debutnya maksimum dan energi spesifiknya adalam minimum.

Fenomena aliran modular pada pintu yang diletakkan di atas ambang untuk satu energi spesifik yang konstan (E0) dapat diidentifikasi melalui 3 (tiga) kondisi seperti berikut : Qmax Q hc hmax subkritis kritis superkritis Gambar 1. Hubungan antara debit dan tinggi air pada kondisi energi spesifik konstan (Brebbia dan Ferrante, 1983)

Bilangan Froude : v2 = 1 atau v = Fr = 1 ……………………..(1) 2gD gD Aliran subkritis dan aliran superkritis dapat diketahui melalui nilai bilangan Froude (F) sesuai dengan persamaan (1), dengan ketentuan sebagai berikut : F > 1, aliran superkritis F = 1, aliran kritis F < 1, aliran subkritis Contoh pada Operasional Pintu Gerak : Pada kondisi pintu tertutup, Es = H1 dan H2 = 0 Pada kondisi pintu terbuka sebagian (bukaan pintu < hc), diperoleh h1 > hc dan h2 < hc Pada kondisi pintu terbuka penuh diperoleh h1 = h2 = hc

Aliran Melalui Pintu Sorong / Gerak] Kondisi aliran melalui pintu sorong (Sluice gate) akan tampak jelas apakah dalam kondisi aliran bebas atau tenggelam, tergantung dari kedalaman air di hilir pintu yang secara bergantian ditentukan oleh kondisi aliran di hilir pintu tersebut. Kondisi aliran bebas (free flow) dicapai bila aliran di hulu pintu adalah sub kritis, sedangkan aliran di hilir pintuadalah super kirtis sebagaimana diperlihatkan dalam gambar berikut :

Gambar 2. Sketsa aliran bebas melalui bawah pintu (Henderson, 1966)

Dengan mengabaikan kehilangan energi antara tampang 1 dan 2 pada suatu tampang segi empat (lihat Gambar 2), persamaan energi dapat ditulis (Henderson, 1966) : ……………………….. (2) Persamaan tersebut juga dapat ditulis : ……………………….. (3) Debit yang melalui bawah pintu pada kondisi aliran bebas dirumuskan : ……………………….. (4)

dengan : q = debit per satuan lebar (m3/det/m’) Cd = koefisien debit a = tinggi bukaan pintu (m) g = percepatan gravitasi (m/det2), dan h1 = kedalaman aliran di hulu pintu (m) Akibat bukaan pintu menimbulkan “vena contracta” di hilir pintu, sehingga kedalamannya : h2 = Cc.a ………………………………………. (5) h2 = kedalaman aliran di hilir pintu (m) Cc = koefisien konstraksi, dan

Persamaan-persamaan tersebut di atas dapat disederhanakan sebagai berikut : ……………………….. (6)

Koefisien konstraksi (Cc) dapat ditentukan dengan mengetahui debit aliran (Q) dalam kecepatan aliran di bawah pintu (V2) dengan rumus : Q = Cc.a.B.V2 atau Cc = Q ………………………………….(7) a.B.V2 dengan : a = tinggi bukaan pintu (m), dan B = lebar pintu (m) Kondisi aliran tenggelam (submerged flow) dicapai bila kedalaman air di belakang pintu : h2 > Cc.a, dengan : Cc = koefisien konstraksi, dan a = tinggi bukaan pintu (m)

Gambar 3. Sketsa aliran tenggelam melalui bawah pintu (Sibramanya, 1986)

Untuk menentukan debit yang melalui bawah pintu pada kondisi aliran tenggelam dengan menggunakan rumus (ranga Raju, 1986) : q = Cd.a 2g (h1 – h2) ……………………………(8) dengan : q = debit per satuan lebar (m3/det/m’) h1 = kedalaman aliran di hulu pintu (m) h2 = kedalaman aliran di hilir pintu (m) Cd = koefisien debit a = tinggi bukaan pintu (m) g = Percepatan gravitasi (m/det2)

Energi spesifik (Es) adalah tinggi tenaga dihitung dari dasar saluran sehingga : ………………………….... (9) atau ……………………….. (10) dengan : Es = energi spesifik (m) h = kedalaman aliran (m) v = kecepatan aliran (m/det) g = percepatan gravitasi (m/det2) Q = debit aliran (m3/det) A = luas penampang basah (m2)

Apabila hubungan Es dan h tersebut ditinjau lebih mendalam akan dapat dibuat suatu kurva sebagai berikut :

Pada saat h = , maka Es = , garis Es = h adalah asimtot miring Pada saat h = 0, maka Es = , garis Es = h adalah asimtot datar Nilai ekstrem Es dicapai pada saat dEs/dh = 0 ……………………… (2.10)

Dengan menganggap D = A/B = ‘hydraulic mean depth’ ………………..…………. (2.11) Pada keadaan dEs / dh = 0, akan didapat nilai Es minimum yaitu pada saat : …………………………………..… (2.12) atau ………………… (14)

Yaitu pada saat bilangan Froude = 1 atau pada saat aliran kritis, sehingga pada kondisi debit maksimum energi spesifik adalah minimum yang dapat ditentukan dengan persamaan berikut : ……………………….…… (15) pada saluran persegi D = h, sehingga ……………………………….… (16) dengan hc = kedalaman air kritis. Perubahan aliran pada pintu sorong di atas saluran datar dari kondisi aliran bebas berubah menjadi aliran tenggelam didahului oleh terjadinya gulungan ombak pada saat akan terjadi loncatan hidrolik.

Pendekatan muka air hilir (tail-water level) pada aliran modular dengan asumsi nilai koefisien konstraksi (Cc) = 0.611 disajikan seperti gambar berikut : Gambar 4. Permukaan air hilir (tail-water level) pada aliran modular melalui pintu sorong (bos, 1976)