ARAKT AKTERI ERISTI STIK K DAN JENIS A LIRAN LIRAN K AR A IR DAN K ARAKTERISTIK PENAMPANG S ALURAN (Pertemuan 1)
I.1 PENDAHULUAN
Ditinjau dari mekanika aliran, terdapat dua macam aliran yaitu aliran saluran tertutup dan aliran saluran terbuka.
Dua macam aliran tersebut dalam banyak hal
mempunyai kesamaan tetapi berbeda dalam satu ketentuan penting. Perbedaan tersebut adalah pada keberadaan permukaan bebas; aliran saluran terbuka mempunyai permukaan bebas, sedang aliran saluran tertutup tida k mempunyai permukaan bebas karena air mengisi seluruh penampang saluran (gambar 1)
Aliran saluran terbuka mempunyai permukaan yang berhubungan dengan atmosfer, Apabila saluran terbuka terhadap atmosfer, seperti sungai, kanal, gorong-gorong, maka alirannya disebut aliran saluran terbuka (open channel flow) atau aliran permukaan bebas (free surface flow).
aliran saluran tertutup tidak mempunyai hubungan langsung dengan tekanan atmosfer. Apabila aliran mempunyai penampang penuh seperti aliran melalui suatu pipa, disebut aliran saluran tertutup atau aliran penuh ( full flow).
1.2 TIPE ALIRAN
Penggolongan tipe aliran yang terjadi dalam saluran terbuka dapat didasarkan pada bermacam-macam kriteria. Salah satu kriteria yang utama adalah perubahan kedalaman aliran (h) terhadap waktu (t) dan terhadap tempat (s).
Apabila kriteria waktu yang dipakai ; maka aliran dibedakan dalam: 1. Aliran tetap (steady flow) adalah suatu aliran dimana parameter aliran tidak berubah menurutwaktu. Dalam hal ini kedalaman aliran (h) dan kecepatan aliran (u) tidak berubah menurut waktu, atau dapat dianggap tetap dalam suatu interval waktu tertentu.
Hal ini dapat ditunjukkan dengan persamaanpersamaan sebagai berikut : dan
2.
Aliran tidak tetap (U nsteady Flow) adalah kebalikan dari aliran tetap. Dalam hal ini parameter aliran berubah menurut waktu, yang dapat ditunjukkan dengan persamaanpersamaan : dan
A PABILA KRITERIANYA TEMPAT, MAKA TIPE ALIRAN DAPAT DIBEDAKAN SEBAGAI BERIKUT: 3.
Aliran Seragam (uniform Flow) adalah aliran dimana parameter alirannya tidak berubah menurut tempat di sepanjang aliran. Hal ini dapat ditunjukkan dengan persamaanpersamaan :
4. Aliran tidak seragam
(Non Uniform Flow) adalah aliran dimana parameter-parameter alirannya berubah menurut tempat. Hal ini dapat ditunjukkan dengan persamaan-persamaan :
dan dan
Aliran seragam dan tetap disebut aliran beraturan
Aliran tidak seragam dapat dibagi menjadi :
aliran berubah lambat laun ( g radually varied flow)
aliran berubah dengan cepat (rapidly varied flow)
Aliran berubah dengan cepat dikenal pula sebagai suatu phenomena lokal, contohnya: loncatan air dan air terjun. Aliran disebut berubah lambat laun apabila perubahan kecepatan terjadi secara lambat laun dalam jarak yang panjang, sedangkan aliran disebut berubah dengan apabila perubahan terjadi pada jarak yang pendek.
TIPE A LIRAN S ALURAN TERBUKA : A. Aliran Tetap (steady flow) 1.
Aliran Seragam (uniform flow)
2.
Aliran tidak seragam (non uniform flow) atau aliran berubah-ubah (varied flow) yg terdiri dari
Aliran tetap berubah lambat laun ( g radually varied flow) Aliran tetap berubah dengan cepat (rapidly varied flow)
B.
Aliran Tidak Tetap (U nsteady Flow)
1.
Aliran seragam tidak tetap (unsteady uniform flow), aliran ini hampir tdk pernah terjadi
2.
Aliran tidak tetap dan berubah-ubah (unsteady varied flow) yg terdiri dari:
Aliran tidak tetap berubah lambat laun ( g radually varied unsteady flow)
Aliran tidak tetap berubah dengan cepat (rapidly varied unsteady flow)
Gambar 1..
Perubahan kedalaman air (a. aliran seragam; b. aliran berubah lambat laun; c. aliran berubah dengan cepat) disepanjang aliran
SIFAT-SIFAT ALIRAN Di dalam aliran cairan riil dapat dibedakan dua macam aliran, yaitu ´ aliran laminer ´ dan ´ aliran turbulen ´. Aliran laminer hanya dapat terjadi pada kondisi hidraulik tertentu seperti yang diselidiki oleh Osborne Reynold (1842 ² 1912). Reynold melakukan penyelidikan di laboratorium dengan menggunakan peralatan seperti tampak pada Gambar 2 .
Gambar 2 .Percobaan Reynold
Pada percobaan Reynold ditunjukkan suatu aliran air dari suatu bak air ke suatu pipa gelas yang diatur debitnya oleh sebuah keran. Untuk melihat jenis aliran didalam pipa gelas digunakan zat pewarna yang mempunyai berat jenis sama dengan berat jenis air (S=1).
Di dalam percobaan-percobaannya Reynold menemukan bahwa apabila kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa gelas lebih rendah daripada suatu harga kritis tertentu, zat pewarna akan mengalir di dalam pipa bersama-sama dengan aliran air dalam bentuk garis arus lurus seperti tampak pada Gambar 2b.
Tetapi, apabila kecepatan aliran di dalam pipa diperbesar melebihi suatu harga kritis tertentu, aliran zat pewarna mengikuti aliran air yang menjadi tidak teratur garis- garis arusnya. Karena bertambahnya kecepatan maka terjadi pusaran-pusaran yang membawa partikel cairan dari satu lapisan pindah ke lapisan lain. Dalam kondisi ini zat pewarna tercampur dengan air di seluruh penampang pipa seperti tampak pada Gambar 2.c.
Kondisi aliran dimana garis-garis arusnya lurus tersebut dinamakan ´ aliran laminer ´, sedang aliran dimana garis-garis arusnya tidak teratur dan partikelpartikel cairannya tercampur dinamakan ´ aliran turbulen ´. Diantara aliran laminer dan aliran turbulen terjadi aliran transisi seperti tampak pada Gambar 2 d.
Untuk membedakan aliran apakah turbulen atau laminer, terdapat suatu angka tidak bersatuan yang disebut Angka Reynold ( Reynolds Number). An g ka ini dihitun g den g an persamaan sebagai berikut:
Saluran Tertutup
Panjang Karakteristik = diameter pipa saluran tertutup (D)
Saluran Terbuka
Panjang karakteristik = jari-jari hydraulik (R) Karena Diameter (D) pipa sama dengan 4 jari-jari hydraulik (D=4R) maka:
Re 2000 § aliran laminer
2000 Re 4000 § aliran transisi
Re u 4000 § aliran turbulen
Re 500 § aliran laminer
Re u 2000 § aliran turbulen
TIPE-TIPE ALIRAN Efek dari gaya gravitasi pada suatu aliran ditunjukkan dalam perbandingan atau rasio antara gaya inersia dan gaya gravitasi. Rasio antara gaya-gaya tersebut dinyatakan dalam angka Froude, yaitu :
Dimana:
FR = angka Froude (tidak berdimensi/ tidak mempunyai satuan) V = kecepatan rata-rata aliran ( ft/s atau m/s ) L = panjang karakteristik (dalam ft atau m)
Dalam aliran saluran terbuka panjang karakteristik (L) disamakan dengan kedalaman hydraulik (D). Dengan demikian untuk aliran saluran terbuka angka Froude adalah:
FR 1 p aliran sub kritis
FR = 1 paliran kritis
FR > 1 p aliran super kritis
RESIM A LIRAN
Suatu kombinasi dari efek viskositas dan gravitasi menghasilkan salah satu dari empat regime aliran, yang disebut:
1.
subkritis-laminer (subcritical-laminer), apabila FR lebih kecil daripada satu dan Re berada dalam rentang laminer;
2.
superkritis-laminer (supercritical-laminer ), apabila FR lebih besar daripada satu dan Re berada dalam rentang laminer;
3.
superkritis-turbulent (supercritical-turbulent ), apabila FR lebih besar daripada satu dan Re berada dalam rentang laminer;
4.
subkritis-turbulen (subcritical-turbulent ), apabila FR lebih kecil daripada satu dan Re berada dalam rentang turbulen.
