ANALISIS KARAKTERISTIK ALIRAN DALAM BOKS BAGI

PADA SISTEM IRIGASI PERPIPAAN

PUJI SULISTIONO

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2013

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN

SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul “Analisis Karakteristik

Aliran dalam Boks Bagi pada Sistem Irigasi Perpipaan” adalah benar karya saya

dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun

kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip

dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah

disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir

tesis ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada

Institut Pertanian Bogor.

Bogor, September 2013

Puji Sulistiono

NIM. F451110121

RINGKASAN

PUJI SULISTIONO. Analisis Karakteristik Aliran dalam Boks Bagi pada Sistem

Irigasi Perpipaan. Dibimbing oleh M. YANUAR J. PURWANTO dan ERIZAL.

Irigasi dengan sistem penyaluran tertutup menggunakan pipa sangat

memungkinkan terjadinya sedimentasi di dalam pipa, oleh karena itu diperlukan

desain perpipaan yang tepat agar sedimentasi di dalam pipa dapat seminimal

mungkin. Boks bagi dalam jaringan irigasi tersier sangat penting selain untuk

membagi air dengan debit yang proporsional ke petakan sawah juga berfungsi

sebagai pengendali sedimen agar sedimentasi yang terjadi di pipa seminimal

mungkin.

Tujuan utama dari penelitian ini adalah merancang desain boks bagi pada

saluran pipa PVC untuk lahan sawah beririgasi, sehingga nantinya akan

dihasilkan: (1) Analisis karakteristik aliran dalam boks bagi pada saluran pipa

yang paling optimal agar sedimentasi yang terjadi di dalam pipa seminimal

mungkin; (2) Simulasi aliran untuk menganalisis sedimentasi dan karakteristik

aliran dalam boks bagi pada sawah beririgasi perpipaan yang menggunakan air

permukaan sebagai sumber air irigasinya; (3) Hubungan antara parameter-

parameter desain boks bagi dengan debit aliran berdasarkan diameter pipa inlet

dan pipa outlet.

Durst (2008) menjelaskan bahwa analisis dimensional adalah teori

kesamaan dimana jika persamaan diferensial yang menjelaskan masalah aliran

tidak diketahui. Penting diketahui bahwa analisis dimensional juga dapat

digunakan ketika hubungan fisik antara jumlah yang tidak diketahui sama sekali.

Boks bagi dibangun di antara saluran-saluran tersier dan kuarter guna membagi-

bagi air irigasi ke seluruh petak tersier dan kuarter. Model boks bagi dibuat untuk

melakukan simulasi aliran dalam pipa PVC dan boks bagi di saluran pipa

kuarterner sehingga sama seperti yang terjadi pada keadaan sesungguhnya di

lapangan. Dalam penelitian ini dibuat jenis model boks bagi untuk sistem irigasi

perpipaan, yaitu boks bagi dengan penampang lingkaran.

Analisis karakteristik aliran dalam boks bagi dilakukan dengan metode

analisis dimensional. Pada tahap analisis dimensional untuk mengetahui

karakteristik aliran dalam pipa PVC dan boks bagi dilakukan pemilihan besaran-

besaran yang saling mempengaruhi dengan memilih satuan dasar yang

menyatakan hubungan antara besaran-besaran tersebut. Pembuatan grafik dari

data hasil simulasi model dan hasil validasi di lapangan yang nantinya dapat

digunakan sebagai acuan dalam mendesain boks bagi pada jaringan irigasi yang

menggunakan pipa PVC untuk sawah beririgasi perpipaan. Hasil dari grafik ini

dapat digunakan untuk menentukan desain boks bagi pada jaringan irigasi tersier

yang paling optimal sehingga dapat meminimalkan terjadinya sedimentasi di

dalam pipa PVC.

Kata kunci: boks bagi, sistem irigasi perpipaan, karakteristik aliran, analisis

dimensional

SUMMARY

PUJI SULISTIONO. Flow Characteristics Analysis in Division Box of Pipeline

Irrigation System. Supervised by M. YANUAR J. PURWANTO dan ERIZAL.

Irrigation with closed distribution system using pipes is possible to

sedimentation in the pipes, therefore is necessary to design piping system so

sedimentation in the pipes can be as minimal as possible. Division box in the

tertiary irrigation network is very important in addition to divide discharge

proportional to the field also as a sediment control that sedimentation in the pipe

to a minimum.

The main objective of this research is to design division box in the PVC

pipe for irrigated paddy field, so that the results will be: (1) Flow characteristics

Analysis in the division box for the most optimal pipeline so that the

sedimentation in the pipe to a minimum; (2) Simulation to analyze the flow of

sediment and flow characteristics in the piping irrigated using surface water as a

source of irrigation water, (3) the relation between the design parameters of

division box with the flow based on the diameter of the inlet pipe and outlet pipes.

Durst (2008 ) explains that the similarity theory of dimensional analysis is

that if the differential equations that describe the flow of the problem is unknown .

It is important that dimensional analysis can also be used when the physical

relation between the amount of which is not known at all . Division box built in

the tertiary canals and the quarter in order to divide the irrigation water to all

tertiary and quarter. Models of division box was made to simulate the flow in

PVC pipe and division box in the same pipeline so that the quaternary as

happened in the real situation on the field . In this research made the model of

division box for irrigation piping systems with the circular cross section.

Analysis of flow characteristics in the division box using the method of

dimensional analysis. At the phase of dimensional analysis to determine the flow

characteristics in PVC pipes and division box with choosing the basic unit of the

relation between derivative quantities. The graphs of the data model and the

simulation results in the field validation results that can be used as a reference in

designing the division box in the irrigation network that uses PVC pipe for piping

irrigated. Results of this graph can be used to determine the design of division box

on tertiary irrigation network optimized so as to minimize the occurrence of

sedimentation in the PVC pipe.

Keywords: division box, pipeline irrigation system, flow characteristics,

dimensional analysis

© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2013

Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang

Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan

atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,

penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau

tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan

IPB

Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini

dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB

Tesis

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Magister Sains

pada

Program Studi Teknik Sipil dan Lingkungan

ANALISIS KARAKTERISTIK ALIRAN DALAM BOKS BAGI

PADA SISTEM IRIGASI PERPIPAAN

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2013

PUJI SULISTIONO

Penguji pada Ujian Tesis: Dr. Ir. M. Yanuar J. Purwanto, MS

Dr. Ir. Erizal, MAgr

Dr. Satyanto K. Saptomo, STP, MSi

Judul Tesis : Analisis Karakteristik Aliran dalam Boks Bagi pada Sistem

Irigasi Perpipaan

Nama : Puji Sulistiono

NIM : F451110121

Disetujui oleh

Komisi Pembimbing

Dr. Ir. M. Yanuar J. Purwanto, MS

Ketua

Dr. Ir. Erizal, MAgr

Anggota

Diketahui oleh

Ketua Program Studi

Teknik Sipil dan Lingkungan

Dr. Satyanto K. Saptomo, STP, MSi

Dekan Sekolah Pascasarjana

Dr. Ir. Dahrul Syah, MScAgr

Tanggal Ujian: 21-06-2013 Tanggal Lulus:

PRAKATA

Puji syukur dipanjatkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan

karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini dapat diselesaikan. Karya ilmiah ini

berjudul: “Analisis Karakteristik Aliran dalam Boks Bagi pada Sistem Irigasi

Perpipaan”.

Pada kesempatan ini disampaikan ucapan terima kasih kepada Dr. Ir. M.

Yanuar J. Purwanto, MS dan Dr. Ir. Erizal, MAgr selaku ketua dan anggota

komisi pembimbing, Dr. Ir. Nora H. Pandjaitan, DEA selaku ketua program studi

Teknik Sipil dan Lingkungan, I-MHERE B2c IPB selaku sponsor beasiswa penuh

penulis dalam penyelesaian studi magister, serta pihak-pihak lain yang terkait,

yang telah banyak memberikan informasi, pengetahuan, bimbingan, dan

pengarahan sehingga penulisan karya ilmiah ini dapat diselesaikan dengan baik.

Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, serta seluruh keluarga,

atas segala doa dan kasih sayangnya.

Semoga hasil penelitian dan karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, September 2013

Puji Sulistiono

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL vi

DAFTAR GAMBAR vi

DAFTAR LAMPIRAN vi

1 PENDAHULUAN 1

Latar Belakang 1

Perumusan Masalah 2

Tujuan Penelitian 2

Manfaat Penelitian 2

2 TINJAUAN PUSTAKA 3

Karakteristik Aliran Dalam Pipa 3

Energi Aliran Dalam Pipa 4

Kehilangan Head Mayor 5

Analisis Dimensional 6

Boks Bagi 7

Skala Model dan Konstruksi Model 8

Bilangan Froude 9

3 METODE 10

Tempat dan Waktu 10

Bahan dan Alat 10

Kerangka Pemikiran 11

Analisis Karakteristik Aliran dalam Boks Bagi 13

4 HASIL DAN PEMBAHASAN 18

Percobaan Sistem Irigasi Perpipaan 18

Analisis Karakteristik Aliran 19

Simulasi Karakteristik Aliran 23

5 KESIMPULAN DAN SARAN 30

Kesimpulan 30

Saran 30

DAFTAR PUSTAKA 31

LAMPIRAN 33

RIWAYAT HIDUP 39

DAFTAR TABEL

Satuan dan dimensi pada analisis dimensional fluida 7 Parameter berpengaruh pada analisis dimensional karakteristik aliran

pada pipa dan boks bagi 17 Data hasil percobaan model sistem irigasi perpipaan di laboratorium 18

Parameter dalam analisis dimensional pada pipa 19 Parameter dalam analisis dimensional pada boks bagi 21

Parameter simulasi dalam analisis karakteristik aliran dalam boks bagi 23 Karakteristik aliran dalam boks bagi dari hasil simulasi 29

DAFTAR GAMBAR

Aliran dalam pipa dan aliran dalam saluran lebar 3

Aliran seragam dalam pipa 4 Diagram Moody 6

Boks bagi dengan tipe aliran proporsional (FAO, 1993) 7 Model boks bagi pada sistem irigasi perpipaan 10

Rancangan irigasi perpipaan di petakan sawah 11 Diagram alir penelitian 12

Analisis dimensional aliran pada tangki air (Durst, 2008) 13 Analisis dimensional aliran pada pipa (Durst, 2008) 15

Skema dan parameter dalam analisis dimensional karakteristik aliran air

dalam boks bagi 17

Grafik hubungan antara kekeruhan, slope, dan kecepatan aliran 18 Parameter analisis karakteristik aliran dalam pipa 19

Parameter analisis karakteristik aliran dalam boks bagi 21 Hasil simulasi grup tak berdimensi D/x dengan variabel peubah x 24

Hasil simulasi grup tak berdimensi ɛ/x dengan variabel peubah x 24 Hasil simulasi grup tak berdimensi h/x dengan variabel peubah x 25

Hasil simulasi grup tak berdimensi V/x3 dengan variabel peubah x 25

Hasil simulasi grup tak berdimensi 1/Fr dengan variabel peubah x 26

Hasil simulasi grup tak berdimensi 1/Re dengan variabel peubah x 27 Nilai grup tak berdimensi (1/Fr) dan (1/Re) hasil simulasi dengan

berbagai kecepatan aliran 28 Nilai Bilangan Froude (Fr) dan Reynold (Re) berdasarkan grup tak

berdimensi Π4 dan Π5 dengan berbagai kecepatan aliran 28

DAFTAR LAMPIRAN

Diagram simulasi model sistem irigasi perpipaan 32 Skema model sistem irigasi perpipaan 33

Foto dokumentasi penelitian 34

1 PENDAHULUAN

Latar Belakang

Perkembangan teknologi pertanian serta kenyataan bahwa varietas tanaman

modern menuntut pengelolaan air secara tepat guna, maka seluruh prasarana di

daerah-daerah pertanian harus dikembangkan. Budidaya tanaman padi sawah

tentunya tidak bisa terlepas dari masalah saluran irigasi, karena saluran irigasi

berfungsi untuk menyuplai air bagi tanaman padi yang membutuhkan ketersediaan

air yang cukup. Namun ironisnya kondisi irigasi yang ada untuk mengairi sawah

pada umumnya cukup memprihatinkan. Selain sering terjadinya kerusakan,

saluran irigasi juga terkesan tidak terawat sehingga pasokan air untuk lahan sawah

menjadi sangat terbatas terutama pada saat musim kemarau ketika curah hujan

rendah.

Merencanakan dan membangun jaringan irigasi yang memadai sangat

penting dalam rangka mengatasi persoalan pengairan yang dikeluhkan para petani

padi sawah. Untuk mengatur aliran air dari sumbernya ke petak-petak sawah

diperlukan pengembangan sistem irigasi di dalam jaringan petak tersier.

Perencanaan jaringan irigasi tersier harus sedemikian rupa sehingga pengelolaan

air dapat dilaksanakan dengan baik. Sistem pembagian air yang diterapkan

merupakan masalah pokok sebelum jaringan tersier direncanakan. Dalam sistem

pengaliran secara terus-menerus memerlukan pembagian air yang proporsional,

jadi besarnya bukaan pada boks harus proporsional atau sebanding dengan daerah

irigasi di sebelah hilir.

Sawah beririgasi pada umumnya masih menggunakan saluran terbuka dan

air permukaan sebagai sumber airnya. Hal ini sangat rentan sekali terhadap

kehilangan air dalam proses distribusi air irigasi hingga sampai ke petakan sawah.

Desain jaringan irigasi dengan menggunakan pipa PVC (Polyvinyl chloride)

memiliki efisiensi tinggi terhadap kehilangan air jika dilakukan dengan desain

yang tepat. Penggunaan pipa PVC sebagai pipa irigasi memiliki kelebihan karena

kuat, tidak mudah pecah, dan tidak dapat berkarat. Sumber air irigasi pada

umumnya adalah air permukaan dengan tingkat kekeruhan yang cukup tinggi pada

saat-saat tertentu. Irigasi dengan sistem penyaluran tertutup menggunakan pipa

sangat memungkinkan terjadinya sedimentasi di dalam pipa, oleh karena itu

diperlukan desain perpipaan yang tepat agar sedimentasi di dalam pipa dapat

seminimal mungkin.

Boks bagi dalam jaringan irigasi tersier sangat penting selain untuk

membagi air dengan debit yang proporsional ke petakan sawah juga berfungsi

sebagai pengendali sedimen agar sedimentasi yang terjadi di pipa seminimal

mungkin. Kajian mengenai karakteristik aliran dalam boks bagi pada suatu sistem

irigasi perpipaan merupakan tahapan awal dalam mendesain boks bagi yang tepat.

Dengan mengetahui karakteristik aliran dalam pipa yang kemudian masuk ke

dalam boks bagi akan sangat mempengaruhi dalam perhitungan dan penentuan

bentuk dari boks bagi, sehingga boks bagi tersebut dapat bekerja efektif dalam

meminimalisasi sedimentasi di dalam pipa.

2

Perumusan Masalah

Air irigasi yang digunakan pada sawah beririgasi perpipaan yang merupakan

air permukaan dengan tingkat kekeruhan yang cukup tinggi sangat memungkinkan

terjadinya sedimentasi di dalam pipa PVC. Sedimentasi di dalam pipa sangat

dipengaruhi oleh tingkat kekeruhan dari air irigasi tersebut. Semakin tinggi tingkat

kekeruhan air maka semakin tinggi pula jumlah sedimentasi yang terjadi di dalam

pipa. Faktor kecepatan aliran di dalam pipa sangat berpengaruh terhadap laju

sedimentasi yang terjadi. Semakin rendah kecepatan aliran di dalam pipa maka

semakin tinggi pula laju sedimentasi yang terjadi di dalam pipa. Keadaan saat ini

di lapangan pada lahan sawah beririgasi memiliki masalah sedimentasi di saluran

irigasi yang menggunakan pipa, sehingga diperlukan desain boks bagi yang tepat

pada sistem irigasi perpipaan untuk mengatasi masalah tersebut.

Tujuan Penelitian

Tujuan utama dari penelitian ini adalah melakukan analisis karakteristik

aliran dalam boks bagi yang berguna untuk mendapatkan rancangan desain boks

bagi pada saluran pipa PVC untuk lahan sawah beririgasi. Penyusunan faktor-

faktor sedimentasi dan karakteristik aliran pada boks bagi dilakukan untuk

menentukan desain, dimensi, dan struktur terbaik dari boks bagi. Tujuan tersebut

akan dilakukan dalam beberapa tahapan penelitian sebagai berikut:

- Analisis karakteristik aliran dalam boks bagi pada saluran pipa yang paling

optimal agar sedimentasi yang terjadi di dalam pipa seminimal mungkin.

- Simulasi aliran untuk menganalisis sedimentasi dan karakteristik aliran

dalam boks bagi pada sawah beririgasi perpipaan yang menggunakan air

permukaan sebagai sumber air irigasinya.

- Hubungan antara parameter-parameter desain boks bagi dengan debit

aliran berdasarkan diameter pipa inlet dan pipa outlet.

Manfaat Penelitian

Fungsi boks bagi sebagai pembagi aliran ke petakan sawah dan struktur

untuk meminimalisasi terjadinya sedimentasi di dalam pipa sangat dipengaruhi

oleh desain dan lokasi boks bagi tersebut. Diperlukan perancangan desain dan

penentuan letak boks bagi yang tepat pada saluran perpipaan untuk lahan sawah

beririgasi agar sedimentasi yang terjadi di dalam pipa PVC seminimal mungkin

dan debit aliran di pipa outlet sesuai dengan perencanaan desain jaringan irigasi.

3

2 TINJAUAN PUSTAKA

Karakteristik Aliran Dalam Pipa

Mekanika fluida adalah subjek dimana fenomena yang agak rumit banyak

ditemui, sehingga sangat penting memahami beberapa deskripsi dan

penyederhanaan dari beberapa aliran fluida khusus. Sebuah variabel dependen

fluida secara umum bergantung pada tiga koordinat ruang dan waktu, misalnya, V

(x, y, z, t). Aliran yang tergantung pada tiga koordinat ruang adalah aliran tiga

dimensi, itu bisa menjadi aliran tetap (steady) jika waktu tidak terlibat. Dalam

aliran dua dimensi variabel dependen tergantung pada dua variabel ruang, yaitu, p

(r, Ɵ) atau V (x, y, t). Aliran satu dimensi adalah aliran yang kecepatannya

tergantung pada satu variabel ruang termasuk aliran dalam pipa dan saluran, dua

jenis yang paling banyak dipelajari. Untuk aliran dalam pipa panjang, kecepatan

tergantung pada r jari-jari, dan dalam saluran lebar (plat paralel) itu tergantung

pada y, seperti ditunjukkan pada Gambar 1. (Potter dan Wiggert, 2008)

Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran yang

digunakan untuk mengalirkan fluida dengan tampang aliran penuh (Triatmodjo,

1996). Fluida yang dialirkan melalui pipa bisa berupa zat cair atau gas dan

tekanan bisa lebih besar atau lebih kecil dari tekanan atmosfer. Apabila zat cair di

dalam pipa tidak penuh maka aliran termasuk dalam aliran saluran terbuka atau

karena tekanan di dalam pipa sama dengan tekanan atmosfer (zat cair di dalam

pipa tidak penuh), aliran temasuk dalam pengaliran terbuka. Karena mempunyai

permukaan bebas, maka fluida yang dialirkan adalah zat cair. Tekanan di

permukaan zat cair disepanjang saluran terbuka adalah tekanan atmosfer.

Potter dan Wiggert (2008) juga menjelaskan bahwa aliran yang ditunjukkan

pada Gambar 1 juga disebut aliran dimana profil kecepatan tidak berubah

sehubungan dengan koordinat hilir. Menunjukkan bahwa aliran pipa yang

ditampilkan adalah diameter hilir dari setiap perubahan dalam geometri, seperti

pintu masuk, katup, siku, atau kontraksi atau ekspansi. Jika aliran belum berubah,

medan kecepatan tergantung pada lebih dari satu koordinat ruang, seperti yang

terjadi di dekat sebuah titik perubahan geometri. Aliran mungkin tidak tetap, yaitu

mungkin tergantung pada waktu, seperti ketika sebuah katup dibuka atau ditutup.

Gambar 2 menggambarkan tentang aliran seragam; profil kecepatan, dan sifat

lainnya seperti tekanan, seragam di seluruh bagian pipa. Profil ini sering

diasumsikan dalam masalah aliran pipa dan saluran karena lebih umum mendekati

aliran turbulen.

Gambar 1 Aliran dalam pipa dan aliran dalam saluran lebar

4

Dalam aliran efek viskositas dapat sepenuhnya diabaikan tanpa efek

signifikan pada solusi untuk masalah yang melibatkan aliran. Semua cairan

memiliki viskositas dan jika efek viskos tidak dapat diabaikan, itu adalah aliran

viskos. Efek viskos sangat penting dalam arus di dalam pipa dan pada banyak

jenis aliran dalam saluran menyebabkan kerugian dan memerlukan pompa di jalur

pipa panjang.

Energi Aliran Dalam Pipa

Hukum kekekalan energi menyatakan energi tidak dapat diciptakan dan

tidak dapat dimusnahkan namun dapat diubah dari suatu bentuk ke bentuk lain.

Energi yang ditunjukkan dari persamaan energi total di atas, atau dikenal sebagai

head pada suatu titik dalam aliran steady adalah sama dengan total energi pada

titik lain sepanjang aliran fluida tersebut. Hal ini berlaku selama tidak ada energi

yang ditambahkan ke fluida atau yang diambil dari fluida. Konsep ini dinyatakan

ke dalam bentuk persamaan yang disebut dengan persamaan Bernoulli seperti

pada persamaan (1) atau (2). Persamaan ini digunakan jika diasumsikan tidak ada

kehilangan energi antara dua titik yang terdapat dalam aliran fluida, namun

biasanya beberapa head losses terjadi di antara dua titik. Jika head losses tidak

diperhitungkan maka akan menjadi masalah dalam penerapannya di lapangan.

(Potter dan Wiggert, 2008)

(1)

dimana :

p1 dan p2 = Tekanan pada titik 1 dan 2 (P)

V1 dan V2 = Kecepatan aliran pada titik 1 dan 2 (m/s)

h1 dan h2 = Perbedaan ketinggian titik 1 dan 2 terhadap datum (m)

ρ = Massa jenis fluida (kg)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

Persamaan di atas digunakan untuk menyelesaikan banyak permasalahan

tipe aliran, biasanya untuk fluida incompressible tanpa adanya penambahan panas

atau energi yang diambil dari fluida. Namun, persamaan ini tidak dapat digunakan

untuk menyelesaikan aliran fluida yang mengalami penambahan energi untuk

menggerakkan fluida oleh peralatan mekanik, misalnya pompa, turbin dan

peralatan lainnya.

Gambar 2 Aliran seragam dalam pipa

5

Kehilangan Head Mayor

Aliran fluida yang melalui pipa akan selalu mengalami kehilangan tekanan

(head). Hal ini disebabkan oleh gesekan yang terjadi antara fluida dengan dinding

pipa atau perubahan kecepatan yang dialami oleh aliran fluida. Jika head loss

dinotasikan dengan “hL” maka persamaan Bernoulli dapat ditulis menjadi

persamaan baru, dirumuskan seperti pada persamaan (3). Head loss akibat

gesekan dapat dihitung menggunakan rumus tersebut. (Potter dan Wiggert, 2008)

(2)

dimana:

hL = Head loss karena gesekan (m)

f = Koefisien gesekan

D = Diameter dalam pipa (m)

L = Panjang pipa (m)

V = Kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa (m/s)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

Diagram Moody telah digunakan untuk menyelesaikan permasalahan aliran

fluida di dalam pipa yaitu dengan menggunakan formula yang dikembangkan oleh

Swamee dan Jain untuk aliran pipa. Rumus tertentu yang dipilih tergantung pada

informasi yang diberikan. Rumus berikut adalah untuk menentukan jumlah dalam

jangkauan panjang aliran pipa. Formula ini tidak digunakan dalam panjang pipa

yang pendek atau dalam pipa dengan banyak sambungan dan perubahan geometri.

(Potter dan Wiggert, 2008)

(3)

(4)

(5)

6

Analisis Dimensional

Pada analisis dimensional dilakukan pemilihan besaran-besaran yang saling

mempengaruhi dengan memilih satuan dasar yang menyatakan hubungan antara

besaran-besaran tersebut. Analisis dimensional banyak digunakan pada bidang

pindah panas, mekanika fluida atau bidang-bidang lain yang berkaitan dengan

masalah keteknikan. Keuntungan dari analisis dimensional adalah mendapatkan

persamaan empiris yang dapat digunakan pada berbagai kondisi dan skala.

Durst (2008) menjelaskan bahwa analisis dimensional adalah teori

kesamaan jika persamaan diferensial yang menjelaskan masalah aliran tidak

diketahui. Penting diketahui bahwa analisis dimensional juga dapat digunakan

ketika hubungan fisik antara jumlah tidak diketahui sama sekali. Analisis

dimensional terbukti menjadi metode secara umum yang valid untuk mengenali

struktur informasi dalam hubungan antara kuantitas fisik dengan cara yang tepat

dan jelas. Dimulai dari kenyataan bahwa dalam ilmu alam kuantitatif jumlah

deskriptif memiliki dimensi dan dapat dibagi ke besaran dasar dan besaran

turunan.

Dalam mekanika fluida, panjang, waktu dan massa merupakan besaran

dasar sedangkan luas, volume, kecepatan, percepatan, tekanan, energi, densitas,

viskositas dinamik dan viskositas kinematik, merupakan besaran yang diturunkan.

Klasifikasi ini memiliki konsekuensi penting bahwa unit di mana besaran dasar

yang diukur dapat dipilih secara independen, dan dari besaran itu bergantung yang

Sumber: L.F. Moody, Trans. ASME, v. 66, 1944 dalam Potter dan Wiggert (2008)

Gambar 3 Diagram Moody

7

ditentukan oleh pilihan. Jadi, dengan unit meter (m), waktu (s) dan kilogram (kg)

untuk besaran dasar, maka besaran yang diturunkan disajikan pada Tabel 1.

Boks Bagi

Boks bagi dibangun di antara saluran-saluran tersier dan kuarter guna

membagi-bagi air irigasi ke seluruh petak tersier dan kuarter. Perencanaan boks

bagi harus sesuai dengan kebiasaan petani setempat dan memenuhi kebutuhan

kegiatan operasi di daerah yang bersangkutan pada saat ini maupun kemungkinan

pengembangan di masa mendatang. Tergantung pada air yang tersedia, boks bagi

harus membagi air secara proporsional dan secara rotasi. Elevasi ambang dan

muka air di atas ambang harus sama untuk semua bukaan pada boks. Untuk

pemberian air secara rotasi, boks dilengkapi dengan pintu yang dapat menutup

bukaan jika diperlukan. Pada jaringan irigasi padi dengan lahan yang relatif datar,

perbedaan antara muka air maksimum di hulu bangunan sadap tersier dan elevasi

sawah yang akan diairi sangat kecil. Gambar 4 menggambarkan tiga jenis boks

bagi dengan beberapa tipe outlet dan inlet, baik berupa pipa maupun bukaan aliran

biasa berbentuk weir.

Gambar 4 Boks bagi dengan tipe aliran proporsional (FAO, 1993)

Tabel 1 Satuan dan dimensi pada analisis dimensional fluida

Besaran Turunan Satuan (SI) Dimensi

Luas (A) m2 L

2

Volume (V) m3 L

3

Kecepatan (v) ms-1

LT-1

Tekanan (P) kgm-1

s-2

ML-1T

-2

Energi (E) kgm2s

-2 ML

2T

-2

Densitas (ρ) kgm-3

ML-3

Viskositas dinamik (μ) kgm-1

s-1

ML-1T

-1

Viskositas kinematik (υ) m-2

s-1

L-2T

-1

8

Skala Model dan Konstruksi Model

Ada dua jenis skala yang dapat digunakan dalam pemakaian skala model

fisik hidraulika, yaitu skala model sama (undistorted model) dan skala model yang

tidak sama (distorted model). Skala model sama adalah skala yang dipakai dalam

pembuatan model dimana perbandingan skala mendatar dan skala tegak adalah

sama. Sedangkan skala model yang tidak sama adalah perbandingan antara skala

mendatar dan skala tegak yang tidak sama. Hubungan skala (scale relation) yang

digunakan untuk pembuatan/perencanaan model fisik dibedakan menjadi dua

kelompok (De Vries, 1977):

1. Scale Law: Hubungan antar skala parameter yang harus dipenuhi (dalam hal

ini adalah Roughnes condition dan Froude condition).

2. Scale Condition: Hubungan antar skala parameter yang harus dipenuhi untuk

menghindari scale effects (dalam hal ini adalah kriteria kesebangunan).

Hubungan antara model dan prototipe dipengaruhi oleh hukum-hukum sifat

sebangun hidraulika. Perbandingan antara prototipe dan model disebut dengan

skala model. Dalam merencanakan suatu model terdapat sifat-sifat kesebangunan

model, yang amat menentukan ketelitian model tersebut. Yang dimaksudkan

dengan kesebangunan tersebut adalah:

1. Sebangun geometris, disebut juga dengan sebangun bentuk. Yaitu

perbandingan antara ukuran analog prototipe dengan model harus sama

besarnya. Perbandingan yang digunakan adalah panjang, luas dan volume.

Semua ukuran pada titik sembarang di model dan prototipe harus mempunyai

skala yang sama. Sebangun geometris sempurna tidak selalu mudah dicapai,

sehingga kekasaran permukaan dari model yang kecil tidak mungkin

merupakan hasil dari skala model, tetapi hanya dibuat permukaan yang lebih

licin daripada prototipe.

2. Sebangun kinematis, yaitu sebangun gerakan. Perbandingan yang digunakan

adalah waktu, kecepatan dan debit.

3. Sebangun dinamis, yaitu kesebangunan gaya-gaya yang terjadi bila

gerakannya sebangun kinematis, dan rasio dari massa yang bergerak serta

gaya penyebabnya sudah homolog besarnya.

Jika gaya gravitasi dominan dalam suatu sistem, maka skala model yang

dipakai berdasarkan bilangan Froude. Bilangan Froude harus sama antara model

dan prototipe. Frm = Frp, dimana subskrip m dan p menunjukkan model dan

prototipe. Dengan menganggap bahwa percepatan gravitasi adalah konstan di

seluruh muka bumi, maka: Dalam hal ini Lr = Lm/Lp dinamakan skala geometri.

Untuk suatu bangunan hidraulika berupa saluran pelimpah, maka yang

menentukan keadaan aliran adalah bilangan Froude (Triatmodjo, 1996):

(6)

dengan :

v = Kecepatan aliran (m/s)

g = Percepatan gravitasi (9,81 m/s2)

h = Kedalaman aliran (m)

9

Pemilihan skala geometris model yang cocok tergantung pada tipe sistem

fluida yang akan dikaji, dan tergantung pada ruang yang tersedia untuk membuat

model, namun demikian persyaratan kesetaraan dinamis dapat dipakai juga untuk

menentukan skala model. Sebagai contoh skala debit, memungkinkan untuk

menentukan kisaran aliran dalam model yang harus dipakai untuk mensimulasi

kisaran debit yang ada pada prototipe. Apabila hubungan antar skala dan

kesebangunan telah dipenuhi, maka tingkat ketelitian perlu diperhatikan

sehubungan dengan besarnya nilai skala yang digunakan. Pemilihan skala model

umumnya didasarkan pada beberapa pertimbangan, yaitu tujuan dari pengujian,

ketelitian yang diharapkan, fasilitas yang tersedia di laboratorium, serta waktu dan

biaya yang tersedia.

Bilangan Froude

Efek dari gaya gravitasi pada suatu aliran ditunjukkan dalam perbandingan

gaya inersia dan gaya gravitasi. Perbandingan tersebut dinyatakan dalam Froude

Number, dengan bentuk persamaan:

atau (7)

Dimana :

Fr = Froude Number

V = kecepatan aliran rata-rata

L = panjang karakteristik (m), untuk saluran terbuka L sama dengan

kedalaman hidraulik (D) yaitu perbandingan luas permukaan aliran (A) dengan

lebar permukaan atas (T) D : A/T

Berdasarkan angka Froude number kondisi aliran digolongkan menjadi:

a. Aliran sub kritis: terjadi pada bilangan F < 1

b. Aliran kritis: terjadi pada bilangan F = 1

c. Aliran super kritis: terjadi pada bilangan F > 1

Soekarno (2006) menyatakan bahwa setiap penambahan nilai Fr akan

menurunkan harga L/h, dimana bila harga L tetap, maka harga h akan semakin

naik seiring dengan bertambahnya bilangan Froude. Perubahan debit yang

mengalir di hulu sangat mempengaruhi perubahan L/h, dimana untuk masing-

masing sudut masuk menunjukkan kecenderungan perubahan kurva yang sedikit

berbeda.

Fr Fr

10

3 METODE

Tempat dan Waktu

Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Hidrolika dan Hidromekanika,

Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan IPB. Kegiatan penelitian, proses

pengolahan data, dan penyusunan laporan hasil penelitian dilaksanakan dari bulan

Agustus 2012 sampai dengan Maret 2013.

Bahan dan Alat

Dalam penelitian ini dibuat model boks bagi untuk sistem irigasi perpipaan,

yaitu boks bagi dengan penampang lingkaran. Pada tahap ini dilakukan simulasi

model sistem irigasi perpipaan di Laboratorium Hidrolika dan Hidromekanika,

Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan IPB. Skema detail simulasi model

sistem irigasi perpipaan dapat dilihat pada Lampiran 1, dengan model boks bagi

disajikan pada Gambar 5.

Proses pengukuran dan pengambilan data dalam penelitian ini dibutuhkan

beberapa alat ukur, yaitu:

o Meteran 5 m sebanyak 2 buah

o Penggaris 50 cm sebanyak 4 buah

o Gelas ukur 5 liter sebanyak 4 buah

o Stopwatch sebanyak 2 buah

o Timbangan sebanyak 2 buah

o Turbidity meter 1 buah

o Manometer 1 set

Selain itu digunakan seperangkat komputer dengan aplikasi spreadsheet dan CAD

untuk proses pengolahan data.

Gambar 5 Model boks bagi pada sistem irigasi perpipaan

11

Kerangka Pemikiran

Pembuatan model boks bagi pada rancangan sistem irigasi perpipaan perlu

dilakukan untuk memudahkan dalam proses pengambilan data pada penelitian ini.

Model boks bagi ini dibuat untuk melakukan simulasi aliran dalam pipa PVC dan

boks bagi di saluran pipa kuarterner sehingga sama seperti yang terjadi pada

keadaan sebenarnya di lapangan. Model aliran dalam pipa dan boks bagi dibuat

sedemikian rupa sehingga dapat mensimulasi aliran kontinyu yang terjadi sama

seperti aliran dalam pipa irigasi di sawah. Tingkat kekeruhan dan densitas air yang

digunakan pun disesuaikan dengan kondisi riil di lapangan sehingga benar-benar

mampu menggambarkan keadaan di lapangan.

Dalam penelitian ini difokuskan pada kajian analisis karakteristik aliran

dalam boks bagi yang merupakan bagian dari suatu sistem irigasi perpipaan.

Fungsi boks bagi dalam suatu sistem irigasi perpipaan ini sangat penting, yaitu

untuk meminimalisasi adanya sedimentasi di dalam pipa penyalur ditingkat

kuarterner, dan juga membagi air secara proporsional ke petakan sawah. Skema

sistem irigasi perpipaan di lapangan dapat dilihat pada Gambar 6, sedangkan

diagram alir dari penelitian ini disajikan pada Gambar 7.

Gambar 6 Rancangan irigasi perpipaan di petakan sawah

12

Gambar 7 Diagram alir penelitian

13

Analisis Karakteristik Aliran dalam Boks Bagi

Analisis karakteristik aliran dalam boks bagi dilakukan dengan metode

analisis dimensional. Pada tahap analisis dimensional untuk mengetahui

karakteristik aliran dalam pipa PVC dan boks bagi dilakukan pemilihan besaran-

besaran yang saling mempengaruhi dengan memilih satuan dasar yang

menyatakan hubungan antara besaran-besaran tersebut. Durst (2008) telah

melakukan analisis pada aliran di dalam kontainer air dan di dalam pipa yang

kasar. Metode ini juga akan digunakan untuk melakukan analisis karakteristik

aliran dalam boks bagi pada saluran pipa kuarterner.

Penyelesaian analisis dimensional dalam problema fisika terutama bidang

mekanika fluida, matriks dimensi berikut dapat digunakan:

Matriks dengan ordo r = 3 dan n parameter berpengaruh, akan menghasilkan

besaran nilai π = ( n - r ). Sebagai referensi dalam analisis dimensional pada boks

bagi digunakan hasil analisis Durst (2008) pada aliran yang keluar dari tangki air

dan aliran dalam pipa.

Untuk analisis pada tangki air diperoleh bahwa nilai n = 6 parameter yang

mempengaruhi, yaitu m = f (ρ, g, h, A, μ). Dengan penentuan atas besaran yang

relevan untuk fluida yang mengalir keluar dari tangki air, sehingga dapat dibuat

matriks dimensi sebagai berikut:

Dari matriks tersebut didapat hasil ordo r = 3 angka karakteristik tak

berdimensi, yaitu π1, π2 dan π3.

Gambar 8 Analisis dimensional aliran pada tangki air (Durst, 2008)

Diagram alir penelitian

14

Ditentukan turunan pertama adalah variabel m, maka diperoleh:

lalu didapatkan:

dimana π1 adalah bilangan Reynold (Re).

Selanjutnya ditentukan turunan kedua adalah variabel A, maka diperoleh:

lalu didapatkan:

dimana π2 adalah bilangan kesamaan geometri.

Lalu ditentukan turunan ketiga adalah variabel g sehingga diperoleh:

lalu didapatkan:

Dari hasil analisis dimensional didapat nilai π1, π2 dan π3 adalah:

15

Sehingga dari hasil yang diukur dapat dicapai untuk fungsi m = f (ρ, g, h, A,

μ) yaitu nilai π1 sebagai bilangan Re dan nilai π2, π3 sebagai parameter.

Analisis selanjutnya yang dilakukan Durst (2008) adalah analisis

dimensional aliran pada pipa.

ϵ = kekasaran pipa

Parameter yang relevan untuk representasi dari masalah aliran melalui pipa

kasar di atas ditentukan matriks dimensi sebagai berikut:

diperoleh nilai r = 3 dan n = 6.

Ditentukan variabel U sebagai variabel turunan pertama, maka diperoleh:

lalu didapatkan:

Gambar 9 Analisis dimensional aliran pada pipa (Durst, 2008)

Diagram alir penelitian

16

Lalu menentukan dP/dx sebagai turunan konstanta kedua, maka diperoleh:

lalu didapatkan:

Selanjutnya menentukan ϵ sebagai variabel turunan ketiga, maka diperoleh:

lalu didapatkan:

Jadi dari hasil analisis dimensional ini didapat nilai π1, π2 dan π3 adalah:

Berdasarkan analisis dimensional yang telah dilakukan Durst (2008)

tersebut maka akan dijadikan referensi dalam analisis dimensional terhadap

karakteristik aliran air dalam boks bagi dengan parameter-parameter yang

17

berbeda. Penentuan variabel dan jumlah parameter Qn yang berpengaruh pada

analisis dimensional boks bagi merupakan hipotesis dalam penelitian ini. Dalam

hipotesis ini ditentukan empat arah aliran yang terjadi dalam boks bagi, untuk

lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 10.

Dalam analisis dimensional terhadap karakteristik aliran dalam boks bagi

tersebut diperoleh beberapa parameter yang berpengaruh seperti disajikan pada

Tabel 2. Dalam penentuan parameter ini diasumsikan bahwa beberapa parameter

yang berpengaruh nilainya adalah sama pada setiap arah aliran.

Tabel 2 Parameter berpengaruh pada analisis dimensional karakteristik aliran

pada pipa dan boks bagi

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9

U D x h ɛ ρ g μ V

M 0 0 0 0 1 1 0 1 0

L 1 1 1 1 0 -3 1 -1 3

T -1 0 0 0 1 0 -2 -1 0

Gambar 10 Skema dan parameter dalam analisis dimensional karakteristik

aliran air dalam boks bagi

Diagram alir penelitian

18

4 HASIL DAN PEMBAHASAN

Percobaan Sistem Irigasi Perpipaan

Dari hasil simulasi model sistem irigasi perpipaan di laboratorium diperoleh

hasil bahwa tingkat kekeruhan air irigasi berbanding lurus dengan besarnya debit

dan kecepatan aliran yang mengalir di dalam pipa. Semakin tinggi debit dan

kecepatan dari aliran, semakin besar pula nilai kekeruhan dari air irigasi tersebut.

Tingkat kekeruhan air irigasi yang semakin tinggi dipengaruhi oleh jenis aliran air

yang mengalir, semakin aliran air mengalami turbulensi, kekeruhan air pun

semakin tinggi, hal ini juga akan berpengaruh terhadap tingkat kemungkinan

sedimentasi yang akan terjadi di dalam pipa.

Tabel 3 Data hasil percobaan model sistem irigasi perpipaan di laboratorium

Gambar 11 Grafik hubungan antara kekeruhan, slope, dan kecepatan aliran

% liter/detik liter/detik mm mm mm mm NTU NTU NTU m/detik m/detik

0 1.45 0.93 576 514 603 454 559 571 570 0.802 0.515

0.05 1.03 0.94 571 508 543 508 570 585 582 0.570 0.521

0.1 1.03 0.95 569 509 543 508 610 621 621 0.570 0.524

0.25 1.03 0.94 568 508 540 508 612 617 620 0.570 0.520

0.5 1.03 0.94 566 509 540 508 597 595 593 0.570 0.519

Sumber

Air

Boks

Bagi

Outlet

BoksInlet Outlet

Slope

Debit Head Kekeruhan Kecepatan

Inlet Outlet Pipa A Pipa BInlet

Boks

Outlet

Boks

S = 4.54U - 2.18

N = 4831.6U- 1914.5

560

570

580

590

600

610

620

630

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.514 0.516 0.518 0.52 0.522 0.524 0.526

Kek

eru

ha

n (

NT

U)

Slo

pe (%

)

Kecepatan (m/s)

Slope

Kekeruhan

19

Analisis Karakteristik Aliran

Tahap pertama dilakukan analisis karakteristik aliran pada pipa yang

memperhitungkan parameter berpengaruh dalam tahap analisis dimensional.

Tahap analisis dimensional pada pipa ini dilakukan pada pipa inlet dan outlet.

Ditentukan 8 parameter yang merupakan variabel berpengaruh terhadap

karakteristik aliran pada pipa, yaitu: U (kecepatan aliran), D (diameter pipa), x

(panjang pipa), h (head pada titik inlet dan outlet), μ (viskositas dinamik), ɛ

(koefisien kekasaran pipa), ρ (massa jenis air), dan g (gravitasi).

Penentuan jumlah grup tak berdimensi (Π) menggunakan fungsi: i = n – r;

dimana i adalah jumlah grup tak berdimensi independen, n adalah jumlah variabel

yang terlibat, dan r adalah rank dari matriks dimensional, sehingga didapat jumlah

jumlah grup tak berdimensi (Π) = 8 – 3 = 5 grup tak berdimensi, Π1, Π2, Π3, Π4,

dan Π5. Dari kedelapan variabel berpengaruh ini ditentukan 3 variabel berulang

yang paling berpengaruh terhadap desain boks bagi dalam fungsinya terhadap laju

sedimentasi, yaitu U (kecepatan aliran), x (panjang pipa), dan ρ (massa jenis air),

sehingga akhirnya akan didapat 5 grup tak berdimensi. Penentuan variabel U

(kecepatan aliran) sebagai variabel berulang paling berpengaruh karena

diasumsikan bahwa faktor kecepatan aliran dalam pipa akan mempengaruhi

potensi dan laju terjadinya sedimentasi. Variabel x (panjang pipa) ditentukan

sebagai variabel paling berpengaruh karena diasumsikan bahwa faktor panjang

pipa ini akan mempengaruhi jumlah sedimen yang akan mengendap, sedangkan

variabel ρ (massa jenis air) diasumsikan sebagai jumlah sedimen yang terlarut

didalam air.

Tabel 4 Parameter dalam analisis dimensional pada pipa

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8

U D x h ɛ ρ g μ

M 0 0 0 0 1 1 0 1

L 1 1 1 1 0 -3 1 -1

T -1 0 0 0 1 0 -2 -1

Gambar 12 Parameter analisis karakteristik aliran dalam pipa

20

Penentuan variabel-variabel dalam grup tak berdimensi (Π):

Π1 = D Uα x

β ρ

γ

Π2 = ɛ Uα x

β ρ

γ

Π3 = h Uα

xβ ρ

γ

Π4 = g Uα x

β ρ

γ

Π5 = μ Uα x

β ρ

γ

Setelah dilakukan analisis dimensional didapatkan nilai-nilai grup tak berdimensi

yaitu sebagai berikut:

Π1 = D U0 x

-1 ρ

0 = D x

-1 =

Π2 = ɛ U0 x

-1 ρ

0 = ɛ x

-1 =

Π3 = h U0 x

-1 ρ

0 = h x

-1 =

Π4 = g U-2

x1 ρ

0 = g U

-2 x

1 =

Π5 = μ U-1

x-1

ρ-1

= μ U-1

x-1

ρ-1

=

dimana diketahui:

Π4 =

=

Π5 =

=

Analisis karakteristik aliran pada pipa ini perlu dilakukan untuk mengetahui

kemungkinan terjadinya sedimentasi di dalam pipa dan faktor-faktor yang

mempengaruhinya. Pipa diasumsikan sebagai salah satu bagian sistem yang

terhubung dengan boks bagi yang merupakan salah satu fungsinya sebagai

pengendali sedimen. Selain itu dengan mengetahui karakteristik aliran yang

masuk ke dalam dan keluar dari boks bagi maka dapat dapat ditentukan ukuran

dan jenis pipa yang tepat agar air yang dialirkan tetap sesuai dengan debit yang

direncanakan.

Berikutnya adalah menganalisis hubungan karakteristik aliran dalam pipa

dengan dimensi ukuran dari boks bagi, yaitu pertama dengan menentukan

21

parameter yang berpengaruh dalam tahap analisis dimensional pada boks bagi.

Dalam tahap analisis dimensional boks bagi ini dilakukan pada 4 titik pipa yaitu 1

pipa inlet dan 3 pipa outlet, dan diasumsikan parameter-parameter yang

berpengaruh di keempat titik ini adalah sama, yang nantinya membedakan adalah

besaran nilai dan arah alirannya. Ditentukan 9 parameter yang merupakan variabel

berpengaruh terhadap desain boks bagi, yaitu: U (kecepatan aliran), D (diameter

pipa), x (panjang pipa), h (head pada titik inlet dan outlet), μ (viskositas dinamik),

dan V (volume air dalam boks bagi), ɛ (koefisien kekasaran pipa), ρ (massa jenis

air), dan g (gravitasi).

Metode dalam analisis karakteristik aliran dalam boks bagi sama dengan

analisis aliran dalam pipa, perbedaannya adalah dalam parameter ukuran dari boks

bagi (V). Penentuan jumlah grup tak berdimensi (Π) menggunakan fungsi: i = n –

r; dimana i adalah jumlah grup tak berdimensi independen, n adalah jumlah

variabel yang terlibat, dan r adalah rank dari matriks dimensional, sehingga dalam

analisis karakteristik aliran pada boks bagi ini didapat jumlah jumlah grup tak

berdimensi (Π) = 9 – 3 = 6 grup tak berdimensi, Π1, Π2, Π3, Π4, Π5, dan Π6. Dari

kesembilan variabel berpengaruh ditentukan 3 variabel berulang yang paling

berpengaruh terhadap desain boks bagi dalam fungsinya terhadap faktor

sedimentasi, yaitu U (kecepatan aliran), x (panjang pipa), dan ρ (massa jenis air),

sehingga pada akhirnya didapat 6 grup tak berdimensi.

Tabel 5 Parameter dalam analisis dimensional pada boks bagi

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9

U D x h ɛ ρ g μ V

M 0 0 0 0 1 1 0 1 0

L 1 1 1 1 0 -3 1 -1 3

T -1 0 0 0 1 0 -2 -1 0

Gambar 13 Parameter analisis karakteristik aliran dalam boks bagi

22

Penentuan variabel-variabel dalam grup tak berdimensi (Π):

Π1 = D Uα x

β ρ

γ

Π2 = ɛ Uα x

β ρ

γ

Π3 = h Uα

xβ ρ

γ

Π4 = g Uα x

β ρ

γ

Π5 = μ Uα x

β ρ

γ

Π4 = V Uα x

β ρ

γ

Setelah dilakukan analisis dimensional didapatkan nilai-nilai grup tak berdimensi

yaitu sebagai berikut:

Π1 = D U0 x

-1 ρ

0 = D x

-1 =

Π2 = ɛ U0 x

-1 ρ

0 = ɛ x

-1 =

Π3 = h U0 x

-1 ρ

0 = h x

-1 =

Π4 = g U-2

x1 ρ

0 = g U

-2 x

1 =

Π5 = μ U-1

x-1

ρ-1

= μ U-1

x-1

ρ-1

=

Π6 = V U0 x

-3 ρ

0 = V x

-3 =

dimana diketahui:

Π4 =

=

Π5 =

=

Dari hasil analisis dimensi diketahui bahwa grup tak berdimensi Π4 adalah

Bilangan Froude yang merupakan bilangan tak berdimensi yang didefinisikan

sebagai rasio dari karakteristik kecepatan aliran terhadap untuk kecepatan

gravitasi di dalam aliran atau ekuivalen didefinisikan sebagai rasio inersia

terhadap gaya gravitasi. Dalam mekanika fluida, bilangan Froude digunakan

untuk menentukan resistansi suatu zat yang terlarut dan bergerak melalui air, dan

memungkinkan perbandingan objek dengan ukuran yang berbeda, yang dalam hal

23

ini dapat digambarkan sebagai sedimen yang terlarut dalam aliran air. Semakin

besar Bilangan Froude, semakin besar pula resistansi zat dalam aliran.

Selain itu, dari hasil analisis dimensi juga diketahui bahwa grup tak

berdimensi Π5 adalah Bilangan Reynold yang didefinisikan sebagai bilangan tak

berdimensi yang memberikan ukuran rasio gaya inersia terhadap viskositas fluida

yang mengakibatkan besaran gaya yang diberikan terhadap kondisi aliran.

Bilangan Reynold ini juga digunakan untuk mengkarakterisasi jenis aliran yang

berbeda, seperti laminar atau aliran turbulen: aliran laminar terjadi pada bilangan

Reynolds rendah, dimana gaya viskositas yang dominan, dan ditandai oleh

gerakan fluida yang konstan dan halus, sedang aliran turbulen terjadi pada angka

Reynolds yang tinggi dan didominasi oleh gaya inersia, yang cenderung

menghasilkan pusaran dan ketidakstabilan dalam aliran.

Simulasi Karakteristik Aliran

Setelah diketahui hasil hubungan antara parameter-parameter yang saling

berpengaruh dari analisis dimensional yang tergambarkan dalam grup-grup tak

berdimensi, selanjutnya dilakukan simulasi untuk mengetahui karakteristik aliran

yang terjadi di dalam boks bagi.

Parameter Satuan

Nilai

U kecepatan aliran dalam pipa m/s

variabel peubah

D diameter pipa

m

variabel peubah

x panjang pipa

m

variabel peubah

ε koef. kekasaran pipa

m

0.0000015

ρ massa jenis air

kg/m3

1020

g percepatan gravitasi

m/s2

9.81

V volume boks bagi

m3

0.064

h head pipa

m

0.05

μ viskositas dinamik

kg/ms

0.00000133

Simulasi ini dilakukan dengan mengubah parameter-parameter yang

berpengaruh pada setiap grup-grup tak berdimensi sehingga diketahui

karakteristik aliran dan hubungannya dengan proses sedimentasi yang terjadi,

yang selanjutnya akan digunakan sebagai bahan analisis untuk mendesain boks

bagi.

Tabel 6 Parameter simulasi dalam analisis karakteristik aliran dalam boks bagi

24

0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

0.120

0.140

0.160

0 10 20 30 40 50 60

D/x

x, panjang pipa (m)

0.0E+00

5.0E-07

1.0E-06

1.5E-06

2.0E-06

2.5E-06

3.0E-06

3.5E-06

0 10 20 30 40 50 60

ε/x

x, panjang pipa (m)

Gambar 15 Hasil simulasi grup tak berdimensi ɛ/x dengan variabel peubah x

Gambar 14 Hasil simulasi grup tak berdimensi D/x dengan variabel peubah x

25

Gambar 15, 16, dan 17 hasil simulasi Π1, Π2 dan Π3 menggambarkan tentang

karakteristik aliran dalam pipa dan boks bagi, serta faktor sedimentasi yang

dipengaruhi oleh parameter D/x, ε/x, dan h/x, yaitu bahwa rasio antara diameter

dengan panjang pipa, rasio kekasaran permukaan dengan panjang pipa, serta rasio

head dengan panjang pipa berpengaruh terhadap laju sedimentasi yang terjadi.

Dalam simulasi ini digunakan diameter pipa sebesar 2 ½ inci dengan kekasaran

permukaan 0.00000133 m, dengan panjang maksimal pipa 50 m dan beda head

0.05 m. Ketiga faktor ini akan menjadi faktor desain dalam mendesain boks bagi

dengan tujuan untuk membuat kemungkinan sedimentasi yang terjadi di dalam

pipa sekecil mungkin.

0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

0.120

0 10 20 30 40 50 60

h/x

x, panjang pipa (m)

-0.01

0.09

0.19

0.29

0.39

0.49

0.59

0 10 20 30 40 50 60

V/x

3

x, panjang pipa (m)

Gambar 17 Hasil simulasi grup tak berdimensi V/x3 dengan variabel peubah x

Gambar 16 Hasil simulasi grup tak berdimensi h/x dengan variabel peubah x

26

Gambar 18 menunjukkan parameter tak berdimensi V/x3, yaitu rasio

hubungan antara volume air yang mengalir ke boks bagi dengan panjang pipa,

berpengaruh terhadap sedimentasi yang terjadi di dalam pipa dan besar volume air

yang akan ditampung dalam boks bagi. Selanjutnya besar volume air ini dan laju

sedimentasi yang terjadi di dalamnya akan menentukan dimensi dan bentuk dari

boks bagi.

Gambar 19 adalah hasil simulasi untuk grup tak berdimensi Π4 yang

merupakan grup yang dipengaruhi oleh faktor kecepatan aliran (U), panjang pipa

(x), dan percepatan gravitasi (g), dan dilakukan dengan merubah kecepatan aliran

di dalam pipa. Dari hasil simulasi diketahui bahwa semakin besar nilai Π5, dengan

kecepatan aliran di dalam pipa yang semakin kecil dan panjang pipa yang semakin

panjang, maka kemungkinan sedimentasi yang terjadi di dalam pipa semakin

besar. Hal ini sesuai dengan kaidah Bilangan Froude, yaitu semakin besar

Bilangan Froude, semakin besar pula resistansi zat dalam aliran, tetapi karena

dalam hal ini grup tak berdimensi Π4 merupakan nilai yang berbanding terbalik

dari Bilangan Froude (1/Fr), semakin besar nilai Π4 maka semakin kecil resistansi

zat dalam aliran, sehingga sedimentasi pun semakin besar, tetapi hal ini ditentukan

juga oleh faktor kecepatan aliran (U) dan panjang pipa (x) seperti terlihat pada

Gambar 18.

1/Fr = 4.90x - 4.86

1/Fr = 3.13x - 3.08

1/Fr = 2.17x - 2.12

1/Fr = 1.60x - 1.53

1/Fr = 1.22x - 1.14

1/Fr = 0.78x - 0.68

1/Fr = 0.54x - 0.43

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1 5 10 14 19 23 28 32 37 41 46 50

gx

/U2

(1/F

r)

x, panjang pipa (m)

1.00 m/s

1.25 m/s

1.50 m/s

1.75 m/s

2.00 m/s

2.50 m/s

3.00 m/s

Gambar 18 Hasil simulasi grup tak berdimensi 1/Fr dengan variabel peubah x

27

Gambar 20 adalah hasil simulasi untuk grup tak berdimensi Π5 yang

merupakan grup yang dipengaruhi oleh faktor kecepatan aliran (U), panjang pipa

(x), massa jenis air (ρ) dan viskositas dinamik air (μ). Simulasi ini dilakukan

dengan merubah kecepatan aliran di dalam pipa dan dengan panjang pipa yang

berbeda. Dari hasil simulasi diketahui bahwa semakin besar nilai Π5, dengan

kecepatan aliran di dalam pipa yang semakin kecil dan panjang pipa yang semakin

panjang, maka kemungkinan sedimentasi yang terjadi di dalam pipa semakin

kecil. Hal ini sesuai dengan kaidah Bilangan Reynold yang sangat mempengaruhi

kondisi aliran, semakin tinggi Bilangan Reynold makan aliran yang terjadi akan

semakin mengalami turbulensi dan kemungkinan terjadinya sedimentasi di dalam

pipa pun semakin kecil. Sebaliknya semakin kecil nilai Bilangan Reynold maka

aliran akan semakin tenang dan mendekati aliran laminar, dan ini membuat

kemungkinan terjadinya sedimentasi di dalam pipa semakin besar. Nilai Π5 ini

merupakan nilai yang berbanding terbalik dengan nilai Bilangan Reynold,

sehingga semakin besar nilai Π5 maka kecepatan aliran semakin kecil sehingga

kemungkinan sedimentasi semakin besar, dan ini dapat dilihat pada Gambar 19.

0.0E+00

1.0E-10

2.0E-10

3.0E-10

4.0E-10

5.0E-10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

μ/U

xρ

(1/R

e)

x, panjang pipa (m)

1.00 m/s

1.25 m/s

1.50 m/s

1.75 m/s

2.00 m/s

2.50 m/s

3.00 m/s

Gambar 19 Hasil simulasi grup tak berdimensi 1/Re dengan variabel peubah x

28

0.0E+00

5.0E-11

1.0E-10

1.5E-10

2.0E-10

2.5E-10

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0.50 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

μ/Uxρ,

(1/Re)

gx/U2

(1/Fr)

U, kecepatan aliran (m/s)

1/Fr

1/Re

0.0E+00

5.0E+09

1.0E+10

1.5E+10

2.0E+10

2.5E+10

3.0E+10

3.5E+10

4.0E+10

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.50 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

ReFr

U, kecepatan aliran (m/s)

Fr

Re

Gambar 21 Nilai Bilangan Froude (Fr) dan Reynold (Re) berdasarkan grup

tak berdimensi Π4 dan Π5 dengan berbagai kecepatan aliran

Gambar 20 Nilai grup tak berdimensi (1/Fr) dan (1/Re) hasil simulasi dengan

berbagai kecepatan aliran

29

U (m/s) Fr Re

0.50 0.00212 4.60E+09

1.00 0.00849 9.20E+09

1.25 0.01327 1.15E+10

1.50 0.01911 1.38E+10

1.75 0.02602 1.61E+10

2.00 0.03398 1.84E+10

2.50 0.05309 2.30E+10

3.00 0.07645 2.76E+10

3.50 0.10406 3.22E+10

4.00 0.13592 3.68E+10

Penentuan kecepatan di sejumlah titik pada pipa memungkinkan untuk

membantu dalam menentukan besarnya kapasitas aliran sehingga pengukuran

kecepatan merupakan fase penting dalam menganalisa suatu aliran fluida.

Besarnya kecepatan aliran fluida pada suatu pipa mendekati nol pada dinding pipa

dan mencapai maksimum pada tengah diameter pipa. Aliran dikatakan laminar

jika partikel fluida yang bergerak teratur mengikuti lintasan sejajar pipa dan

bergerak dengan kecepatan sama. Aliran ini terjadi apabila kecepatan kecil

dan/atau kekentalan besar. Sedangkan aliran disebut turbulen jika tiap partikel

fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di sepanjang pipa. Pengaruh

kekentalan fluida sangat besar sehingga dapat meredam gangguan yang dapat

menyebabkan aliran menjadi turbulen. Dengan berkurangnya kekentalan dan

bertambahnya kecepatan aliran maka daya redam terhadap gangguan akan

berkurang, yang sampai pada batas tertentu akan menyebabkan terjadinya

perubahan aliran dari laminar menjadi turbulen. Oleh karena itu, dalam

menganalisa aliran di dalam pipa, sangatlah penting untuk mengetahui tipe aliran

yang mengalir dalam pipa tersebut.

Kondisi aliran dalam pipa dan boks bagi sangat dipengaruhi oleh Bilangan

Reynold dan Bilangan Froude, dalam hasil simulasi ini diketahui bahwa nilai

Bilangan Froude kurang dari 1 (Fr<1) dan nilai Bilangan Reynold lebih dari 2320

(Re>2320). Dari hasil simulasi ini juga diketahui bahwa grup tak berdimensi Π4

dan Π5 merupakan nilai yang berhubungan dengan Bilangan Froude dan Bilangan

Reynold, yang berpengaruh terhadap karakteristik aliran dan kemungkinan

terjadinya sedimentasi di dalam pipa. Dari simulasi aliran model irigasi perpipaan

diketahui bahwa faktor debit dan kecepatan aliran dalam pipa berpengaruh pada

tingkat kekeruhan air, sedangkan dari hasil analisis dimensional diketahui bahwa

faktor karakteristik aliran dalam pipa dan boks bagi dipengaruhi oleh nilai

Bilangan Froude dan Bilangan Reynold. Dalam mendesain suatu jaringan irigasi

perpipaan terdapat beberapa faktor pembatas, seperti head yang tersedia, luasan

lahan yang akan diairi, besar debit dan lokasi sumber air, serta tingkat kekeruhan

sumber air irigasi. Dari grafik pada Gambar 19 dan 20, dengan menentukan

besaran debit air irigasi yang dibutuhkan, maka dapat ditentukan besarnya

kecepatan aliran dan panjang pipa dari desain sistem irigasi dengan kemungkinan

sedimentasi di dalam pipa yang paling minimum.

Tabel 7 Karakteristik aliran dalam boks bagi dari hasil simulasi

30

5 KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa hasil analisis

dimensional pada pipa dan boks bagi menunjukan bahwa grup tak berdimensi Π4

adalah Bilangan Froude yang didefinisikan sebagai rasio dari karakteristik

kecepatan aliran terhadap untuk kecepatan gravitasi di dalam aliran di dalam pipa.

Bilangan Froude dalam hasil penelitian ini digambarkan sebagai sedimen yang

terlarut dalam aliran air. Semakin besar Bilangan Froude, semakin besar pula

resistansi zat dalam aliran. Selain itu, ditunjukkan bahwa grup tak berdimensi Π5

adalah Bilangan Reynold yang didefinisikan sebagai bilangan tak berdimensi yang

memberikan ukuran rasio gaya inersia terhadap viskositas fluida yang

mengakibatkan besaran gaya yang diberikan terhadap kondisi aliran. Bilangan

Reynold ini digunakan untuk mengkarakterisasi jenis aliran yang berbeda, aliran

laminar atau turbulen. Kondisi aliran dalam pipa dan boks bagi memiliki nilai

Bilangan Froude kurang dari 1 (Fr<1) dan nilai Bilangan Reynold lebih dari 2320

(Re>2320) sehingga karakteristik aliran adalah mengalir secara turbulen.

Faktor sedimentasi dipengaruhi oleh parameter D/x, ε/x, dan h/x, yaitu

bahwa rasio antara diameter dengan panjang pipa, rasio kekasaran permukaan

dengan panjang pipa, serta rasio head dengan panjang pipa berpengaruh terhadap

laju sedimentasi yang terjadi, ketiga faktor ini menjadi perhitungan dalam

mendesain boks bagi agar kemungkinan sedimentasi yang terjadi di dalam pipa

sekecil mungkin.

Grup tak berdimensi Π4 merupakan nilai yang berbanding terbalik dari

Bilangan Froude (1/Fr), semakin besar nilai Π4 maka semakin kecil resistansi zat

dalam aliran, sehingga sedimentasi pun semakin besar, tetapi hal ini ditentukan

juga oleh faktor kecepatan aliran (U) dan panjang pipa (x). Sedangkan pada nilai

grup tak berdimensi Π5 memiliki nilai yang berbanding terbalik dengan nilai

Bilangan Reynold, sehingga semakin besar nilai Π5 maka kecepatan aliran

semakin kecil sehingga kemungkinan sedimentasi semakin besar, dengan

pengertian lain jika aliran semakin tenang dan mendekati aliran laminar, dan

membuat kemungkinan terjadinya sedimentasi di dalam pipa semakin besar.

Saran

Penelitian ini merupakan penelitian dasar untuk mengetahui hubungan

antara parameter-parameter berpengaruh terhadap sifat aliran dalam suatu sistem

irigasi yang menggunakan pipa dan boks bagi dalam penyalurannya. Diperlukan

penelitian lebih lanjut untuk mengetahui besaran nilai antar parameter tersebut

dalam pengaruhnya terhadap laju sedimentasi di dalam pipa irigasi.

31

DAFTAR PUSTAKA

[AWWA] American Water Works Association. 2002. PVC Pipe - Design and

Installation. Manual of Water Supply Practices - M23, Second Edition. American Water Works Association. Washington DC.

Chow, Ven Te. 1997. Hidrolika Saluran Terbuka. Terjemahan E.V. Nensi

Rosalina. Erlangga. Jakarta.

De Vries. 1997. Scalling Model Hydraulics. IHE Published. The Netherland.

Durst, F. 2008. Fluid Mechanics: An Introduction to the Theory of Fluid Flows. Springer – Verlag Berlin Heidelberg. Berlin.

[FAO] Food and Agriculture Organization. 1993. Structures For Water Control

and Distribution. Irrigation Water Management Training Manual No. 8. Rome.

Jain, S. K. dan Singh, V. 2003. Water Resources Systems Planning and Management. Elsevier Science B.V. Amsterdam.

[KPU] Kementerian Pekerjaan Umum. 1986. Standar Perencanaan Irigasi:

Kriteria Perencanaan Bagian Petak Tersier. Kementerian Pekerjaan Umum. Jakarta.

Linsley, R. K. dan Franzini J. B. 1991. Teknik Sumber Daya Air – Jilid 1 edisi

ketiga. Terjemahan: Djoko Sasongko. Erlangga. Jakarta.

Moser, A. P. dan Folkman, S. 2008. Buried Pipe Design. Third Edition. The McGraw-Hill Companies, Inc. Washington DC.

Pomeroy, R. D.. 1983. Flow Velocities in Pipelines. Journal of Hydraulic

Engineering, ASCE, Vol. 109, No. 8.

Potter, M. C. dan Wiggert, D. C. 2008. Schaum’s Outline Series: Fluid Mechanics. The McGraw-Hill Companies, Inc. Washington DC.

Prastumi, Herdin Primadi. 2009. Kajian Hidrolika Saluran Transisi dan Saluran

Peluncur pada Uji Model Fisik Waduk Jehem Kabupaten Bangli Bali. Jurnal Rekayasa Sipil. Volume 3, No.3 – 2009 ISSN 1978 – 5658.

Samuel, Parlidungan Manik. 2011. Analisa Froude Number Ekonomis Pada

Kapal Wisata Di Waduk Jatiluhur Dengan Pendekatan Computational Fluid Dynamic. Jurnal Teknik – Vol. 32 No.3 Tahun 2011, ISSN 0852-1697.

Soekarno, Indratmo. 2006. Pengaruh Arah Sayap Pelimpah Samping dan

Kedalaman Aliran Terhadap Koefisien Debit. Journal of Civil Engineering Dimension, Vol. 8, No. 1, 8–14, March 2006, ISSN 1410-9530.

Sosrodarsono, Suyono dan Takeda, Kensaku. 2002. Bendungan Tipe Urugan.

Erlangga. Jakarta.

Stephenson, D. 1981. Pipeline Design for Water Engineers. Second Edition. Elsevier Scientific Publishing Company. Amsterdam.

Swamee, P. K. 1995. Design of Sediment-Transporting Pipeline. Journal of

Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 121. No.1.

Triatmodjo, Bambang. 1993. Hidrolika II. Beta Offset. Yogyakarta.

Wilson, E. M. 1993. Hidrologi Teknik – edisi keempat. Terjemahan: MM Purbohadiwidjoyo. Editor: Suroso. Penerbit ITB. Bandung.

32

Lampiran 1 Diagram simulasi model sistem irigasi perpipaan

33

Lampiran 2 Skema model sistem irigasi perpipaan

34

Lampiran 3 Foto dokumentasi penelitian

Tangki penampung air dengan pompa (kiri) dan manometer (kanan)

Instalasi pipa PVC 1 ½ inci

35

Variable slope controller

Pengukuran head pada manometer

36

Pemasangan manometer pada pipa (kiri) dan tangki pengatur kekeruhan (kanan)

Karakteristik aliran dalam model boks bagi

37

Turbidity meter untuk mengukur tingkat kekeruhan air

Kondisi sedimentasi yang terjadi di dalam model boks bagi

38

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Tangerang pada tanggal 9 Januari 1988 dari pasangan

Khadiman dan Raniti, merupakan anak ketiga dari empat bersaudara. Menempuh

jenjang pendidikan menengah atas di SMA Negeri 1 Ciputat dan lulus pada tahun

2006, selanjutnya penulis diterima sebagai mahasiswa Institut Pertanian Bogor

(IPB) pada tahun 2006 melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI).

Menyelesaikan studi sarjana tahun 2010 dari Departemen Teknik Pertanian,

Fakultas Teknologi Pertanian IPB, dengan bidang keahlian Teknik Tanah dan Air.

Setelah lulus kuliah sarjana, di semester awal tahun 2011 penulis bekerja di

konsultan lingkungan selama hampir 6 bulan sebagai anggota staf penyusun

AMDAL. Pertengahan tahun 2011 penulis melanjutkan studi magister di bidang

Teknik Sipil dan Lingkungan IPB dengan sponsor beasiswa penuh dari I-MHERE

B2c IPB sampai dengan masa studi selesai. Selama menyelesaikan studi magister,

penulis juga aktif sebagai asisten peneliti di Departemen Teknik Sipil dan

Lingkungan IPB yang terkait dengan program penelitian yang didanai oleh I-

MHERE B2c IPB. Saat ini penulis bekerja sebagai Staf Teknik di PT. Indra Karya

(Persero) Consulting Engineers dengan bidang pekerjaan yang berkaitan dengan

analisis hidrologi dan hidrolika dalam perencanaan bendungan besar.