aliran saluran terbuka
DESCRIPTION
UPN VTRANSCRIPT
Agus Bambang Irawan, S.Si, M.Sc
ALIRAN SALURAN TERBUKA
Aliran Air Terbagi
Aliran saluran terbuka (Open Channel Flow)
Aliran saluran tertutup (Pipe Flow)
Aliran saluran pada pori (Ground Water Flow)
dengan z : elevasi (tinggi tempat);
: tinggi tekanan;
: tinggi kecepatan;
hf : kehilangan tenaga.
fhg
Vpz
g
Vpz
22
2
222
2
111
p
g
V
2
2
Persamaan Bernoulli
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; 𝝊 = viskositas kinematik
• Re < 500 aliran laminer
• 500 < Re < 12.500 aliran transmisi
• Re > 12.500 aliran turbulen
Klasifikasi aliran berdasarkan kekritisannya
• 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 basahT = 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 (Subcritical Turbulen) = F<1 dan Re > 1000
• Turbulen Superkritis (Supercritical Turbulen)= F > 1 dan Re > 1000
TIPE ALIRAN SALURAN TERBUKA
A. Aliran Tunak (Steady Flow)
Aliran tunak adalah aliran yang mempunyai kedalaman tetap untuk selang waktu tertentu.
• Aliran seragam (uniform flow) : bila kedalaman air sama untuk setiap penampang saluran. Contoh = saluran drainase
• Aliran tidak seragam ( non uniform flow / varied flow) : 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 ketika kedalaman air berubah tiba-tiab
B. Aliran Taktunak (Unsteady Flow)Aliran tidak tunak adalah aliran yang mempunyai kedalaman aliran yang berubah tidak sesuai dengan waktu. Contoh : Banjir.
1) Aliran seragam tidak tunak (unsteady 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 FlowSaluran drainase, irigasiSaluran dengan debit, kecepatan dan kedalaman tetapAliran pada saluran di percobaan laboratorium
• Steady Non Uniform FlowAliran setelah keluar dari pintu airAliran yang mengalami pembendunganAliran yang mengalami penurunan hidrolikAliran yang mengalami loncatan hidrolik
• Unsteady Uniform Flow Aliran pada saluran di percobaan
laboratorium (jarang terjadi)
• 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
Artificial Channel/Saluran Buatan
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)
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)
Gambar. Penampang melintang dan memanjang pada saluran terbuka
Z
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
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
2,52,0
1.0
2,52,0
1.02,52,0
1.0
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 𝝀 = 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.VDengan
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 Q0 serta V dan V0.
• Harga–harga tersebut merupakan harga
perbandingan antara debit Q dan kecepatan V untuk suatu kedalaman aliran y terhadap debit awal Q0 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 0,75-
0,95 kali kedalaman
