Aliran Seragam Pada Saluran Terbuka Teori & Penyelesaian Soal-Soal PDF

Preview

Summary

Aliran Seragam Pada Saluran Terbuka Teori & Penyelesaian Soal-Soal Ichwan Ridwan Nasution Fakultas Teknik Jurusan Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara I. DASAR-DASAR ALIRAN DALAM SALURAN TERBUKA Aliran air dalam suatu saluran dapat berupa : ª ª Aliran Saluran Terbuka (Open Channel Flow) Alira...

Description

Aliran Seragam Pada Saluran Terbuka Teori & Penyelesaian Soal-Soal Ichwan Ridwan Nasution Fakultas Teknik Jurusan Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara I.

DASAR-DASAR ALIRAN DALAM SALURAN TERBUKA

Aliran air dalam suatu saluran dapat berupa : ª ª

Aliran Saluran Terbuka (Open Channel Flow) Aliran Saluran Tertutup (Pipe Flow)

Keduanya dalam beberapa hal adalah sama, berbeda dalam satu hal yang penting, yaitu : ª

Aliran pada saluran terbuka harus memiliki permukaan bebas yang dipengaruhi oleh tekanan udara bebas (P Atmospher). Aliran pada pipa tidak dipengaruhi oleh tekanan udara secara langsung kecuali oleh tekanan hydraulic (y).

ª

H

h

D

h

H < 0,8 D

D

h

D

h

h > 0,8 D

Gambar 1.1 : Saluran Terbuka dan Tertutup

1 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

Perbandingan bentuk kedua aliran tersebut dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Garis kemiringan energy

V2 / 2g ρ/ν

Aliran

Garis kemiringan hidraulis

Garis kemiringan energy V2 / 2g Permukaan air

h

Dinding pipa Z

Garis kemiringan hidraulis

Dasar Bidang persamaan

(1)

(2)

saluran

z

(1)

a) Aliran pada pipa

(2) b) Aliran saluran terbuka

Gambar 1.2 : Garis Kemiringan Hidraulis dan Energy

Perhitungan saluran terbuka lebih rumit daripada perhitungan pipa karena :

ª ª ª

Bentuk penampang yang tidak teratur (terutama sungai). Sulit menentukan kekasaran (sungai berbatu sedangkan pipa tembaga licin). Kesulitan pengumpulan data di lapangan.

Perbandingan rumus Energy untuk kedua type aliran tersebut adalah : Aliran pada saluran tertutup V12 P2 V22 P1 h1 + + = h2 + + hf ρg 2g ρg 2g Aliran pada saluran terbuka V12 h1 +

V22 = h2

2g I.1.

+ hf 2g

Klasifikasi Saluran

Saluran dapat berbentuk alami (sungai, paluh dan muara) dengan penampang melintang atau kemiringan memanjang berubah-ubah (varriying cross section) disebut “Non Prismatic Channel”. Saluran buatan jika penampang dan kemiringannya constant (Constant Cross Section) disebut “Prismatic Channel”, contohnya saluran irigasi dan gorong-gorong yang mengalir sebahagian.

2 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

I.2.

Type Aliran

Type aliran pada Saluran Terbuka adalah :

Ü Aliran Mantap (Steady Flow) Perubahan volume terhadap waktu tetap Perubahan kedalaman terhadap waktu tetap Perubahan kecepatan terhadap waktu tetap Ü Aliran Tidak Mantap (Unsteady Flow) Perubahan volume terhadap waktu tidak tetap Perubahan kedalaman terhadap waktu tidak tetap Perubahan kecepatan terhadap waktu tetap

∂Q / ∂t ∂h / ∂t ∂v / ∂z

= = =

0 0 0

∂Q / ∂t ∂h / ∂t ∂v / ∂z

≠ ≠ ≠

0 0 0

Ü Aliran Merata (Uniform Flow) Besar dan arah kecepatan tetap terhadap jarak. Aliran pada pipa dengan penampang sama. Variable fluida lain juga tetap.

∂Q / ∂s ∂v / ∂s ∂h / ∂z

= = =

0 0 0

Ü Aliran Tidak Merata (Non Uniform Flow) Aliran pada pipa dengan tampang tidak merata. Pengaruh pembendungan dan variable fluida lain juga tidak tetap. Hydraulic jump.

∂Q / ∂s ∂h / ∂t ∂v / ∂s

≠ ≠ ≠

0 0 0

Hal ini timbul pada aliran air banjir dan gelombang atau gutter (parit terbuka). Pada umumnya perhitungan saluran terbuka hanya digunakan pada aliran tetap dengan debit Q dinyatakan sebagai : Q A V

= = =

A . V ………………………………… Luas penampang melintang saluran (m2) Kecepatan rata-rata aliran (m/dtk)

(1)

Dan debit untuk sepanjang saluran dianggap seragam dengan kata lain aliran bersifat kontinu. Q = A1 . V1 I.3.

= A2 . V2 = ………..……….

(2) (persamaan kontinuitas)

Keadaan Aliran

Aliran pada saluran terbuka dapat diklasifikasikan berdasarkan pengaruh kekentalan fluida (ν = viskositas) dan gaya gravitasi (g). I.3.1.

Aliran Laminer dan Turbulen

Perbandingan gaya-gaya yang disebabkan oleh gaya Inersia, gravitasi dan kekentalan dikenal sebagai bilangan Reynolds (Re) ditulis sebagai berikut :

3 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

V . 1

Dimana :

ν

Re

=

V 1

= Kecepatan rata-rata aliran = Panjang karakteristik (m) h untuk aliran terbuka D untuk aliran tertutup = Viskositas kinematik (m2/dtk)

ν

Dalam hal ini, jika nilai Re kecil aliran akan meluncur lapisan di atas lapisan lain yang dikenal sebagai Aliran Laminar, sedangkan jika aliran-aliran tadi tidak terdapat garis edar tertentu yang dapat dilihat, aliran ini disebut Aliran Turbulen.

Laminer ⇒ Re < 2000

Turbulen ⇒ Re > 4000

Gambar 1.3 : Aliran Laminer dan Turbulen

Pada pipa :

ª ª

Re < 2000 Re > 4000

Aliran Laminer terjadi jika Aliran Turbulen terjadi jika

Untuk kondisi 2000 < Re < 4000 aliran ini diklasifikasikan sebagai Aliran Transisi. Untuk saluran tertutup Bilangan Reynolds telah dinyatakan sebagai : V . D Re

=

ν

Sedangkan : ¼ TL D2

A R

=

=

4R

P = D

D =

TL D

4

Bilangan Reynolds dapat juga ditulis sebagai : 4 RV Re = ν Dimana :

D A P R

= = = =

Diamter pipa (m) Luas penampang pipa (m2) Keliling basah (m) Jari-jari hidrolis (m) Ingat ini selanjutnya tidak untuk jari-jari lingkaran 4

e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

Pada Saluran Terbuka :

ª ª

Aliran Laminer terjadi jika Re < 500 Aliran Turbulen tejadi jika Re > 1000

Untuk kondisi 500 < Re < 1000 disebut Aliran Transisi. V . R Dimana :

Re

ν

=

(berbeda 4 kali)

Kekasaran pipa Dalam keadaan Turbulent, peralihan atau Laminer untuk aliran dalam pipa (saluran tertutup) telah dikembangkan Rumus Darcy Weisbach.

hf

= λ

L . V2 D . 2g

Dimana :

hf λ L V g D D

= Kehilangan energi akibat gesekan (m) = f = Faktor gesekan = Panjang pipa = Kecepatan = Gravitasi = Diameter = 4R ………………………… (sudah diterangkan sebelumnya).

S

=

Gradient energi : hf L hf

= S . L

Persamaan Darcy Weisbach menjadi : L . V2 S . L =λ 4R . 2g =λ

8 . g . R . S

V2 Ada beberapa rumus untuk menghitung kehilangan energi seperti :

ª ª

Blassius Prandtl - von Karman

5 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

I.3.2.

Aliran Sub-Kritis, Kritis dan Super-Kritis

Perbandingan Gaya-gaya Inersia dan Gravitasi dikenal sebagai Bilangan Fronde : V F

=

l l

= =

√ g . l h D

untuk aliran terbuka untuk aliran tertutup

Aliran dikatakan kritis jika : F F F √ g . l

:

1,0 disebut Aliran Kritis 1,0 disebut Sub-Kritis (Aliran tenang atau Tranquil) 1,0 disebut Super-Kritis (Aliran cepat atau Rapid Flow)

menunjukkan juga kecepatan gelombang atau celerity pada permukaan bebas. C

Test

= < >

=

√ g . l

Jatuhkan batu pada aliran, jika gelombang merambat ke hulu dan ke hilir aliran dalam keadaan Sub-Kritis seperti tergambar pada 1.4a.

Gambar 1.4 : Gelombang aliran Sub-Kritis, Kritis, Super-Kritis Selanjutnya aliran digolongkan ke dalam 4 (empat) rezim yang didasarkan pada Bilangan Froude dan Reynolds. 1. 2. 3. 4.

Laminer Laminer Turbulen Turbulen

-

Sub-Kritis Super-Kritis Sub-Kritis Super-Kritis

Jika Jika Jika Jika

F F F F

< > < >

1 ; Re 1 ; 1 ; Re 1 ;

< 500 Re < 500 > 1000 Re > 1000

Aliran Kritis untuk F = 1 Peralihan 500 < R < 1000 Soal latihan : Untuk BAB I Buku Rangga Raju, Soal 1.3, halaman 19. 6 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

Aliran air pada suatu saluran empat persegi demean lebar 1,0 m, kedalaman 0,10 m dan kecepatan 1,5 m/det. Tentukan keadaan aliran. D = 10-6 m2/det. τ = 21oC. Dari Tabel Viscositas didapat : ν = A = P =

0,977 . 1 . 0,1 1 + 2 A R = = P Q = V . A =

10-5 = 10-6 m2/det = 0,1 m2 . 0,1 = 1,2 m 0,1 = 0,083 1,2 1,5 . 0,1 = 0,15 m3/det

R.V Re

F

II.

ν V

=

=

√g.l

0,083 . 1,5 =

=

12450 > 1000 (Aliran Turbulen)

=

1,5 > 1 (Aliran Super-Kritis)

-6

10 1,5 =

√ 9,81 . 0,1

ALIRAN SERAGAM (MERATA) UNIFORM FLOW

Ciri-ciri Aliran Seragam (Uniform Flow) adalah :

ª ª ª ª

Kedalaman aliran Luas penampang basah Kecepatan rata-rata Debit persatuan waktu

Pada sepanjang daerah yang lurus adalah sama

∂h

∂P

∂S

=

0

∂S

=

0

∂V

∂S

=

0

∂S

=

0

∂Q

Sedangkan ciri-ciri lain adalah :

ª ª ª

Garis energy Muka air Dasar saluran

Sejajar atau

Sf = Sw = So

7 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

Garis Energy V12 2g

Sf V22

Muka air

2g Sw

h1

Sf = Sw = So

h2 Dasar saluran

So

Syarat-syarat lain untuk aliran merata di sebut normal, yaitu kedalaman normal dan kemiringan normal. Didapat persamaan-persamaan Semi Empiris sebagian besar dalam bentuk : V

= C . Rx . Sy

Garis energi V2

Kemiringan = Sf = S

a 2g Muka air y Pg ∆ L Sin θ z L Bidang persamaan

Kemiringan Sw = S

A

Kemiringan So = S

P

Gambar 2.1 : Penurunan Rumus Chezy untuk aliran seratam pada saluran terbuka

II.1

Rumus Chezy

Bila air mengalir dalam suatu saluran terbuka, air tersebut akan mengalami tahanan saat mengalir ke hilir. Tahanan mengadakan perlawanan terhadap komponen gaya berat yang menyebabkan air tersebut mengalir. Aliran seragam terjadi bila kedua komponen ini seimbang. 8 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

Untuk Airan Mantap (tidak ada percepatan) diperoleh persamaan : ρ g . A . L Sin θ = τo . P . L ……………………….……… (1)

Karena θ kecil, maka : Sin θ

τg θ = S

=

ρ g . A . L . S=

S adalah kemiringan dasar saluran

τo . P . L ……………………………… (2)

Secara Empiris diketahui bahwa tegangan geser sebanding dengan kwadrat kecepatan : τo sebanding dengan V2

τo = k . V2 ….……………..…… (3)

Dari (2) & (3) ρ g . A . L . S =

k . V2 . P . L ρ g . A . S

V2 =

k . P ρ g

Chezy menemukan : V

dengan merubah

:

=√ √

A .

k ρ g

. S = √

P

ρ g

. √ R . S

k

= C k

maka diperoleh : V

=C √ R . S ….……

Inilah yang dikenal sebagai Rumus Chezy yang merupakan rumus dasar untuk menentukan kecepatan aliran seragam

Ada beberapa rumus untuk menentukan besaran C yang diberi nama menurut penemunya yakni : a. Gauguilet Kutter b. Basin c. Powell

Lihat halaman 170 Ranald V Giles

Note : Bandingkan dengan Ven Te Chow Soal 59, halaman 198

Ranald V.Giles

Salin soal.

9 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

1,219 + 3,048 A

. 2,438 = 5,201 m2

= 2

V

= C √ R . S

Q

= A . V

14,77 = 5,201 . V V

= 2,840 m/det

P

= 1,219 + 3,048 + 3,048 = 7,315

R

=

A

5,201 =

=

P V

= C √ R . S V2

S

0,711

7,315

=

2,8402 =

C2 . R

= 0,00372 55,22 . 0,711

Untuk C = 55,2 hitunglah m basin : 87 C

65,46 m m

II.2

=

1 + m / √ R

87 = 1 + 1,186 m

= 87 - 55,2 = 31,8 = 0,486

Rumus Manning

Manning mengungkapkan bahwa nilai C masih dipengaruhi oleh jari-jari hidrolis R. R1/6 C

=

n = Kekasaran saluran menurut Manning n

Sehingga Rumus Chezy diperbaharui menjadi : 1 V

. R2/3 . S1/2

= n

10 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

Atau : A Q

. R2/3 . S1/2

=A . V = n

II.3

Rumus Strickler

Strickler menyarankan lagi dengan memberi konstanta : 1 K

= n

Sehingga

V

=K . R2/3 . S1/2

Tahun 1933 Rumus Strikler disarankan untuk pemakaian secara Internasional pada Konperensi Stokholm. Soal 61, halaman 198 Ranald V Giles 0,61 S

= 5 . 10-4

=

H = 0,5B

1219 2,22 V

4,44

=

= 2

B 2

0,5B

B

Untuk aliran dianggap saluran terbuka : P

= B + 0,5B + 0,5B

=

2B

0,5B2

A R

=

=

=

P

0,25B

2B

1 V

. R2/3 . S1/2

= n

4,44

1 (0,25B)2/3 (5 . 10-4)1/2 = 0,739B2/3

= 2

B

B8/3

0,012 = 6,0205 11

e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

B

= 1,96 m

H

= 0,5B

=

0,98 m

Soal 57, halaman 198 Ranald V Giles Manning : 1 V

1 . R2/3 . S1/2

=

V2 =

. R4/3 . S n2

n Darcy Weisbach : λ =

8 . g R . S

8 . g R . S 2

V

==

2

V

n

λ R1/3

2

λ

= λ . R1/3 = n2 . 8 . 9,81

= 8 . 9,81

II.4

n = 0,11291/2 . R1/6 Head Turun (hf)

Head turun dapat dihitung dengan merubah suku-suku Rumus Manning sebagai berikut : L hf S S = hf . L 1 V

. R2/3 . (hf / L)1/2

= n 1

V2

= n

2

. R4/3 . hf / L

V2 . n2 . L hf

=

V . n =

R4/3

2

. L R2/3

S = hf / L

Untuk aliran tidak seragam dan saluran panjang harga ini dapat digunakan. Kesulitannya adalah penentuan factor kekasaran saluran Manning (n) 12 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

II.5

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Nilai Kekasaran Saluran

Kekasaran saluran sangat mempengaruhi besarnya kecepatan rata-rata pada saluran. Nilai kekasaran saluran tidak hanya ditentukan dari satu factor, tetapi dapat merupakan kombinasi dari beberapa factor berikut ini : a. Kekasaran permukaan saluran Kekasaran permukaan saluran tergantung daripada butir-butir yang membentuk keliling basah, ukuran dan bentuk butiran menimbulkan effek hambatan terhadap aliran. Ü Butir kasar Ü Butir halus

– –

n besar n kecil

b. Jenis tumbuh-tumbuhan Tumbuhan yang terdapat dalam saluran dapat menghambat lajunya aliran serta memperkecil kapasitas pengaliran. Ü Belukar atau bakau Ü Rerumputan

– –

n besar n kecil

c. Ketidakberaturan tampang melintang saluran Ketidakteraturan keliling basah dan variasi penampang terutama pada saluran alam. Ü Teratur Ü Tidak teratur

– –

n kecil n besar

d. Trace saluran Lengkung saluran dengan garis tengah yang besar akan lebih baik dari pada saluran dengan tikungan tajam. Ü Lurus Ü Berbelok-belok

– –

n kecil n besar

e. Pengendapan dan penggerusan Proses pengendapan permukaan dapat mengakibatkan saluran menjadi halus, demikian juga sebaliknya, pada penggerusan mengakibatkan saluran menjadi kasar. Ü Lumpur – Ü Kerikil –

f.

n kecil n besar

Hambatan Adanya pilar jembatan, balok sekat atau drempel dapat mempengaruhi aliran terutama jika jumlahnya banyak.

Ü Hambatan kecil Ü Hambatan besar

– –

RIdeal

n kecil

RIdeal

n besar

n besar n kecil

13 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

g. Ukuran dan bentuk saluran Saluran dengan dimensi yang relative besar lebih sedikit dipengaruhi oleh kekasaran saluran, sedangkan jari-jari hidrolis yang ideal sangat mempengaruhi debit pengaliran pada saluran. Ü Saluran kecil Ü Saluran besar

– –

n besar n kecil

h. Taraf air dan debit Air dangkal lebih dipengaruhi oleh ketidak terturan dasar saluran, begitu juga untuk debitdebit kecil. Ü Ü Ü Ü

Air dangkal Air dalam Debit kecil Debit besar

Catatan :

– – – –

n besar n kecil n besar n kecil

Lebih lanjut baca “Hidrolika Saluran Terbuka; oleh Ven Te Chow” halaman 101 s/d 122.

Soal 70, halaman 199 Ranald V Giles Q = 11,55 m3/det Hf

= 3,22 m

L

= 1600 m hf

S

3,22

=

= L

= 0,0020125 1600

A

= 0,863 . 4,877 = 4,209 m2

P

= 2 . 0,863 + 4,877 = 6,603 m

R

=

4,209 = 0,637 m 6,603 1 Q

. R2/3 . S1/2 m3/det

=A . n

A . R2/3 . S1/2 n

=

4,209 . (0,637)2/3 . 0,0021/2 =

Q

= 11,55 11,55

14 e-USU Repository ©2005 Universitas Sumatera Utara

Kontrol satuan : A . R2/3 S1/2 Satuan n

m2 . m2/3

=

=

=

Q

m /det

V Satuan C

=

m/det

√ R . S

=

= m1/2det

= 1/2

m

R1/6 Satuan n

det/m1/3

3

m1/6 = det/m1/3

= 1/2

C

m det

Soal 71, halaman 199 Ranald V Giles τo . P . L = τo

ρ g . A . L . S

ρ g . A . L . S

=

=

ρ g . R . S

A dimana

P . L =

P

1000 . 9,81 . 0,637 . 0,0020125 = 12,58 N/m2

Kontrol satuan II.6

= R

kg/m3 . m/det2 . m = kg m/det2/m2 = N/m2

Profil Tersusun

Soal 26, halaman 57 (Rangga Raju) 2.6. Penampang dari 2 (dua) sungai dapat diidealkan seperti ditunjukkan dalam gambar beri...