ALIRAN SALURAN TERBUKA
Agus Bambang Irawan, S.Si, M.Sc
Aliran saluran terbuka (Open Channel Flow) Aliran saluran tertutup (Pipe Flow) Aliran saluran pada pori (Ground Water Flow)
Persamaan Bernoulli
z
1
p
1
V
2
1
2 g
z
2
p
dengan z : elevasi (tinggi tempat); p
V 2 2 g
hf
: tinggi tekanan; : tinggi kecepatan; : kehilangan tenaga.
2
V
2
2
2 g
h f
Aliran saluran tertutup
Aliran Saluran Terbuka
Perbandiangan antara aliran pipa dengan aliran saluran terbuka
Klasifikasi aliran berdasarkan bilangan Reynolds •
•
•
Bilangan Reynolds menyatakan perbandingan gaya kekentalan (viskositas) dengan gaya inersia. Jika gaya viskositas yang lebih dominan maka disebut aliran laminar, sedangkan jika yang dominan gaya inersia maka disebut aliran turbulen
Re = bilangan Reynold ; v = kecepatan ; R = A/P = jari-jari hidrolik; A = luas penampang basah; P = keliling basah; = viskositas kinematik
•
Re < 500
aliran laminer
•
500 < Re < 12.500 aliran transmisi
•
Re > 12.500
aliran turbulen
•
Tingkat kekritisaan aliran dinyatakan dengan bilangan Froud, yaitu perbandingan antara gaya inersia dengan gaya grafitasi. v = kecepatan aliran ; g = gravitasi; D= A/T = kedalaman hidrolik; A = luas penampang basah T = lebar puncak
•
Aliran dikatakan kritis (F=1) jika kecepatan aliran sama dengan gelombang gravitasi dengan amplitudo rendah. Gelombang gravitasi bisa dibangkitkan dengan mengubah kedalaman
Subkritis F < 1 aliran dengan kecepatan rendah (air mengalir)
Kritis F = 1
Superkritis F > 1 aliran dengan kecepatan tinggi (air meluncur) Aliran subkritis dikendalikan oleh halangan di hilir sementara aliran superkritis dipengaruhi pengendalian hulu aliran.
Kombinasi Pengaruh Gaya Inersia, Grafitasi Dan Kekentalan Menyebabkan Kondisi Aliran Tertentu •
•
•
•
Laminar Subkritis (Subcritical Laminar) = F <1 dan Re < 500 Laminar Superkritis (Supercritical Laminar) = F > 1 dan Re < 500 Turbulen Subkritis dan Re > 1000
(Subcritical Turbulen) = F<1
Turbulen Superkritis (Supercritical Turbulen)= F > 1 dan Re > 1000
TIPE ALIRAN SALURAN TERBUKA A. Aliran Tunak (S t ea d y F l o w ) Aliran tunak adalah aliran yang mempunyai kedalaman tetap untuk selang waktu tertentu. •
•
Aliran seragam (u n i f o r m f l o w ) : bila kedalaman air sama untuk setiap penampang saluran. Contoh = saluran drainase Aliran tidak seragam ( n o n u n i f o r m f l o w / v a r i ed f l o w ) : bila kedalaman air tidak sama untuk setiap penampang saluran. Contoh = aliran pada pintu air
Aliran tidak seragam dibagi menjadi dua : a) aliran berubah lambat laun Aliran ini mempunyai ciri kedalaman berubah sesuai dengan perubahan waktu b) aliran berubah tiba-tiba Aliran berubah tiba-tiba terjadi kedalaman air berubah tiba-tiab
ketika
B. Aliran Taktunak (Unst ead y F lo w ) Aliran tidak tunak adalah aliran yang mempunyai kedalaman aliran yang berubah tidak sesuai dengan waktu. Contoh : Banjir. 1) Aliran seragam tidak tunak (u n s t e a d y ) uniform flow Aliran saluran terbuka dimana aliran mempunyai permukaan yang fluktuatif sepanjang waktu dan tetap sejajar dengan dasar saluran. Aliran ini jarang dijumpai dalam praktek.
2) Aliran berubah tidak tunak ( Unsteady varied flow) Aliran saluran terbuka dimana kedalaman aliran berubah sepanjang waktu dan ruang. a) aliran tidak tunak berubah lambat laun Kedalaman air berubah sepanjang waktu dan ruang dengan perubahan kedalaman secara lambat laun b) aliran tidak tunak berubah tiba-tiba Kedalaman air berubah sepanjang waktu dan ruang dengan perubahan kedalaman secara tiba-tiba
Kombinasi Aliran di Saluran Terbuka
Beberapa Contoh tipe Aliran •
Steady Uniform Flow Saluran
drainase, irigasi
Saluran
dengan debit, kecepatan dan kedalaman tetap
Aliran
•
pada saluran di percobaan laboratorium
Steady Non Uniform Flow Aliran
setelah keluar dari pintu air
Aliran
yang mengalami pembendungan
Aliran
yang mengalami penurunan hidrolik
Aliran
yang mengalami loncatan hidrolik
•
Unsteady Uniform Flow
•
Aliran pada saluran di laboratorium (jarang terjadi)
percobaan
Unsteady Non Uniform Flow
Aliran pada saat banjir sungai
Aliran gelombang tegak berjalan
Aliran gelombang dari muara ke hulu
Saluran Terbuka 1. Artificial Channel / Saluran Buatan 2. Natural Channel / Saluran Alami
Saluran Buatan A r ti fi c ia l C ha nn el /
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 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)
kekasaran
–
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 (T) 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) –
–
–
–
–
–
Z
Gambar. Penampang melintang dan memanjang pada saluran terbuka
Kedalaman Aliran •
•
Kedalaman aliran dengan notasi d adalah kedalaman dari penampang aliran Kedalaman y adalah kedalaman vertikal
•
•
•
•
Duga (Stage) z adalah elevasi atau jarak vertikal dari permukaan air di atas suatu datum (bidang persamaan) Lebar permukaan ( Top Width) T adalah lebar penampang saluran pada permukaan bebas. Luas Penampang ( Area) A adalah luas penampang melintang aliran pada saluran terbuka Keliling basah ( wetted perimeter ) P adalah panjang bagian atau porsi dari parameter penampang aliran yang bersentuhan (kontak) dengan batas benda padat baik dasar maupun dinding saluran
Gambar. Parameter Lebar permukaan T, Lebar dasar B, luas penampang dan keliling basah suatu aliran
•
Jari-jari hydrolik (Hydraulic Radius) R adalah perbandingan luas penampang dibagi keliling basah.
•
•
Kedalaman hydrolik (hydroulic depth) D adalah perbandingan luas penampang dibagi lebar permukaan
Faktor penampang untuk perhitungan aliran kritis (section factor for critical flow computation) Z adalah perkalian luas penampang A dengan akar dari kedalaman hydrolik D
•
•
Faktor penampang untuk perhitungan aliran seragam (section factor for uniform flow computation) Z adalah perkalian dari luas penampang dan pangkat 2/3 dari jari jari hydrolik Z=
Penampang Saluran Sangat Lebar •
•
•
adalah adalah suatu penampang saluran terbuka yang lebar sekali dimana pendekatan sebagai saluran terbuka berpenampang persegi empat Dengan lebar yang jauh lebih besar daripada kedalaman aliran B >> y, dan keliling basah P disamakan dengan lebar saluran B. Dengan demikian maka luas penampang A = B.y ; P = B sehingga :
Gambar. Parameter potongan melintang
Persamaan untuk saluran persegipanjang, trapezoidal, dan lingkaran
X=1/m,
Distribusi Kecepatan
Bergantung banyak faktor antara lain Bentuk saluran Kekasaran dinding saluran Debit aliran 2,5
2,0 1.0
2,5 2,5
2,0 1.0
2,0 1.0
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
Distribusi kecepatan berdasar kedalaman
Free surface flow
One dimensional model
Persamaan Kecepatan Pada Aliran Seragam Dengan V = kecepatan C = faktor hambatan R = jari-jari hidrolik i = kemiringan / gradien garis energi =
h/L
R. Chezy mengembangkan rumus empiris kecepatan aliran diatas menjadi
Menentukan nilai C (koefisien Chezy) a. Kutter (1869)
Dengan N = Koefisien kekasaran Kutter R = radius hidrolik S = kemiringan
b. Bazin (1897)
Dengan m = Koefisien kekasaran Bazin R = radius hidrolik •
Persamaan Kecepatan Darcy-Weisbach
dengan
= faktor gesekan
g = percepatan grafitasi = 9,81 R = radius hidrolik S = kemiringan
Persamaan Kecepatan Manning-Gaukler-Strickler (MGS)
Dengan kst = 1/n = Koefisien kekasaran Strickler n = koefisien kekasaran manning R = radius hidrolik S = kemiringan Rumus MSG adalah rumus yang paling banyak dipakai dalam saluran aliran terbuka
Kekasaran Manning dipengaruhi= •
Kekasaran permukaan dasar dan dinding saluran
•
Tumbuh-tumbuhan
•
Ketidak-teraturan bentuk penampang
•
Alignment dari saluran
•
Sedimentasi dan erosi
•
Penyempitan (adanya pilar-pilar jembatan)
•
Bentuk dan ukuran saluran
•
Elevasi permukaan air dan debit aliran
Debit Aliran Q = A.V Dengan Q = debit aliran A = luas penampang V = kecepatan
•
•
Apabila angka n ( kekasaran Manning ) tetap atau tidak bergantung pada variasi kedalaman, maka dapat dibuat kurva hubungan antara Q dan Q 0 serta V dan V0. Harga harga tersebut merupakan harga perbandingan antara debit Q dan kecepatan V untuk suatu kedalaman aliran y terhadap debit awal Q 0 dan kecepatan awal V0 dari kondisi aliran penuh. –
Latihan: Suatu trapesium terbuka berpenampang Trapesium , mempunyai lebar dasar B = 6 m; Kemiringan tebing 1 : z = 1 : 2. Kemiringan longitudinal Ib = 0,0016 Dan faktor kekasaran Manning n = 0,025. Tentukan kedalaman normal dengan cara aljabar apabila Q = 11 m3/det
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 0,750,95 kali kedalaman
•
•
•
•
[email protected] [email protected] [email protected] [email protected]
