Saluran Hidrologi.docx

SALURAN HIDROLIKA

A. JENIS-JENIS ALIRAN 1)

Aliran Invisid (Inviscid Flow) Aliran Invisid adalah aliran nonkompresibel yang tidak mengalami gesekan. Aliran tanpa gesekan adalah aliran fluida yang pengaruh gesekannya diabaikan atau pengaruh kekentalan (viskositas) fluida tidak mempengaruhi aliran fluida, dapat dikatakan aliran ini tidak mempunyai viskositas (hambatan) atau kekentalan (μ = 0). Meskipun pada kenyataannya semua fluida mempunyai viskositas namun pada kondisi tertentu pengaruh viskositas tidak mempengaruhi sifat fluida sehingga dapat diabaikan.

Gambar 1. Daerah Aliran Invisid dan Aliran Viskos 2)

Viskos (Viscous Flow) Aliran Viskos adalah aliran fluida yang masih dipengaruhi oleh viskositas (hambatan) atau kekentalan (μ ≠ 0). Aliran ini terjadi pada fluida yang pekat atau kental, kepekatan atau kekentalan fluida ini tergantung oleh gesekan antara partikel penyusun fluida tersebut. Aliran viskos (berdasarkan struktur alirannya) dapat diklasifikasikan menjadi dua yaitu aliran laminer dan aliran turbulen.



 Aliran Laminer (Laminar Flow) Aliran laminer adalah suatu tipe aliran yang ditunjukkan oleh gerak partikel-partikel cairan menurut garis-garis arusnya yang halus dan sejajar.

Gambar 2. Aliran Laminer Aliran laminer terjadi apabila partikel-partikel zat cair bergerak teratur dengan

membentuk

garis

lintasan

kontinyu

dan

tidak

saling

berpotongan. Aliran laminer terjadi apabila kecepatan aliran rendah, ukuran saluran sangat kecil dan zat cair mempunyai kekentalan besar. Karekteristik aliran laminer yaitu fluida bergerak mengikuti garis lurus, kecepatan fluidanya rendah, viskositasnya tinggi dan lintasan gerak fluida teratur antara satu dengan yang lain. 

 Aliran Turbulen (Turbulent Flow) Berbeda dengan aliran laminer, aliran turbulen tidak mempunyai garisaris arus yang halus dan sejajar sama sekali. Pada aliran turbulen, partikel-partikel zat cair bergerak tidak teratur dan garis lintasannya saling berpotongan. Aliran turbulen terjadi apabila kecepatan aliran besar, saluran besar dan zat cair mempunyai kekentalan kecil. Aliran di sungai, saluran irigasi/drainasi, dan di laut adalah contoh dari aliran turbulen.

Gambar 3. Aliran Turbulen Karakteristik aliran turbulen ditunjukkan oleh terbentuknya pusaranpusaran dalam aliran, yang menghasilkan percampuran terus menerus antara partikel partikel cairan di seluruh penampang aliran. Untuk membedakan aliran apakah turbulen atau laminer, terdapat suatu angka tidak bersatuan yang disebut Angka Reynold (Reynolds Number). Angka Reynolds adalah ukuran dari rasio gaya inersia pada suatu elemen

fluida terhadap gaya viskositas elemen. Angka ini dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

Re  V .R µ Dimana: Re

= Angka Reynold

V

= Kecepatan (rata-rata) fluida yang mengalir (m/dt)

R

= Jari-jari hidrolik (m) Rasio antara luas penampang melintang saluran dengan keliling basah (A / P)

µ

= Viskositas kinematik (m2/dt)

Angka Reynolds merupakan parameter tak-berdimensi yang sangat terkenal dalam ilmu mekanika fluida. Nama ini diberikan sebagai penghargaan bagi Osborne Reynolds (1842-1912), insinyur dari inggris yang pertama kali mendemontrasikan bahwa kombinasi dari variabelvariabel dapat digunakan sebagai suatu patokan untuk membedakan aliran laminar dengan aliran turbulen. Kategori aliran untuk saluran terbuka menurut Angka Reynold: Aliran Laminer

Re < 500

Aliran Transisi

500 < Re < 1000

Aliran Turbulen

Re > 1000

3) Aliran Mantap (Steady Flow) Aliran mantap merupakan aliran yang bilamana debit, kedalaman, dan kecepatan aliran tersebut tidak berubah sepanjang waktu tertentu. Secara matematis:

Q 0, t

y  0 , dan t

v 0 t

Gambar 4. Aliran Mantap

Aliran ini disebut juga sebagai aliran tetap. Contoh dari aliran ini adalah saluran irigasi. 4) Aliran Tak Mantap/Berubah (Unsteady Flow) Aliran tak mantap merupakan aliran ini terjadi bilamana debit, kedalaman, dan kecepatan aliran tersebut berubah menurut waktu. Secara matematis:

Q 0, t

y  0 , dan t

v 0 t

Gambar 5. Aliran Tak Mantap Aliran ini disebut juga sebagai aliran tidak tetap. Contoh dari aliran ini adalah aliran muara yang dipengaruhi pasang surut, banjir, dan gelombang. 5) Aliran Seragam (Uniform Flow) Aliran seragam adalah aliran yang bilamana kedalaman aliran sama pada setiap penampang saluran. Aliran seragam merupakan aliran dimana debit (Q), kedalaman (y), luas basah (A), dan kecepatan (v), tidak berubah sepanjang saluran tertentu (x). Pada aliran ini kecepatan aliran di sepanjang saluran adalah tetap, dalam hal kecepatan aliran tidak bergantung pada tempat atau tidak berubah menurut tempatnya. Contohnya seperti saluran drainase.

Gambar 6. Aliran Seragam

6) Aliran Tak Seragam (Non-uniform Flow) Aliran seragam adalah aliran yang bilamana kedalaman aliran tidak sama pada setiap penampang saluran. Aliran seragam merupakan aliran dimana debit (Q), kedalaman (y), luas basah (A), dan kecepatan (v), berubah sepanjang saluran tertentu (x). Pada aliran ini kecepatan berubah menurut tempatnya. Contohnya seperti aliran pada pintu air.

Gambar 7. Aliran Tak Seragam Aliran tak seragam terbagi menjadi dua, yaitu aliran berubah lambat laun/berubah beraturan (gradually varied flow) dan aliran berubah dengan cepat (rapidly varied flow). Aliran disebut berubah beraturan apabila perubahan kecepatan terjadi secara lambat laun dalam jarak yang panjang, sedangkan aliran disebut berubah dengan cepat apabila perubahan terjadi pada jarak yang pendek. Aliran berubah beraturan jika parameter hidrolik (kecepatan, tampang basah) berubah secara progresif dari satu tampang ke tampang yang lain. Apabila di ujung hilir saluran terdapat bendung maka akan terjadi profil muka air pembendungan dimana kecepatan aliran akan berkurang (diperlambat), sedangkan apabila terdapat terjunan maka profil aliran akan menurun dan kecepatan akan bertambah (dipercepat). Sedangkan aliran berubah dengan cepat jika parameter hidrolik berubah secara mendadak (saluran transisi), loncat air, terjunan, aliran melalui bangunan pelimpah dan pintu air.

Gambar 8. Perubahan kedalaman air (a. aliran seragam; b. aliran berubah lambat laun; c. aliran berubah dengan cepat) disepanjang aliran B. KECEPATAN ALIRAN Kecepatan aliran pada saluran terbuka dapat ditentukan dengan rumus Chezy dan rumus Manning. Kedua rumus tersebut hanya dibedakan pada nilai koefisien kekasarannya. Rumus Chezy menggunakan nilai koefisien kekasaran kekasaran C yang ditentukan oleh Ganguillet dan Kutter, H. Bazin, atau Powell (Chow dkk., 1989). Sedangkan rumus Manning yang memiliki nilai koefisien kekasaran n yang dipengaruhi oleh kekasaran permukaan, tetumbuhan, ketidakteraturan saluran, trase saluran, pengendapan dan penggerusan, hambatan, ukuran dan bentuk saluran, serta taraf dan debit air (Chow dkk.,1989). 1) Persamaan Chezy Pada awal tahun 1769 seorang insinyur Perancis bernama Antonius Chezy mengembangkan mungkin untuk pertama kali perumusan kecepatan aliran yang kemudian dikenal dengan Rumus Chezy.

V  C R.I Dimana: V

= Kecepatan aliran (m/dt)

R

= Jari-jari hidrolik (m)

I

= Kemiringan rata-rata dasar saluran

C

= Koefisien tahanan aliran/koefisien Chezy (m 2/dt)

2) Persamaan Manning Pada tahun 1889 seorang insinyur asal Irlandia, Robert Manning mengemukakan sebuah rumus yang akhirnya menjadi rumus yang sangat dikenal dengan Rumus Manning.

v  1 .R 2 / 3 .I 1 / 2 n Dimana: V

= Kecepatan aliran (m/dt)

R

= Jari-jari hidrolik (m)

I

= Kemiringan rata-rata dasar saluran

n

= Koefisien kekasaran saluran

Untuk koefisien kekasaran, n dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel 1. Harga Koefisien Kekasaran Manning Bahan

n

Kaca, plasitik, kuningan

0,010

Plesteran semen

0,011

Pipa pembuangan

0,013

Pipa pembuangan

0,013

Saluran beton

0,013 0,011 – 0,014

Kayu Besi tuang dilapis

0,014

Batu bata

0,014

Bata dilapisi mortar

0,015

Saluran tanah bersih

0,022

Pasangan batu disemen

0,025

Saluran tanah

0,030

Saluran dengan dasar batu dan tebing rumput

0,040

Saluran pada galian batu padas

0,040

Apabila dihubungkan Persamaan Chezy dan Persamaan Manning akan diperoleh hubungan antara C dan n sebagai berikut.

1 V  C R.I  n

.R 2 /3 .I1 /2

C

R1 /6 n

C. TAMPANG LINTANG SALURAN

Gambar 9. Penampang Lintang Saluran (a. Persegi; b. Trapesium; c. Segitiga) y

= Kedalaman saluran (m)

b

= Lebar dasar saluran (m)

T

= Lebar penampang saluran pada permukaan bebas (m)

m

= Kemiringan dinding saluran

R

= Jari-jari hidrolik (m), R = A/P

D

= Kedalaman hidrolik (m), R = A/T

A

= Luas penampang melintang aliran yang tegak lurus arah aliran (m 2)

P

= Keliling basah (m)

Tabel 2. Unsur-Unsur Geometris Tampang Lintang Saluran Bentuk Tampang Saluran

A

P

R

T

D

by

b  2y

by b  2y

b

y

( b  my )y

b  2y 1  m2

my 2

2y 1  m 2

( b  my )y b  2y 1  m 2

( b  my )y b  2my

my 2 1m

2

2my

b  2my

1 2

y

D. ENERGI SPESIFIK Energi spesifik pada suatu penampang saluran dinyatakan sebagai tinggi energi (E) yang diukur dari dasar saluran.

Gambar 10. Tinggi Energi Pada Dua Penampang dari Suatu Aliran Saluran Terbuka Menurut Hukum Ketetapan Energi, tinggi energi pada penampang hulu (penampang 1) sama dengan tinggi energi pada penampang hilir (penampang 2) ditambah dengan kehilangan energi disepanjang aliran (hf). Dengan demikian energi antara dua penampang tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.

z  d cos    v1 2  z  d cos    v 2 2  h 1 2 2g 2g 1 1 2 2

f

Energi spesifik pada suatu penampang saluran dinyatakan sebagai energi tiap satuan berat diukur dari dasar saluran. Jadi apabila harga z = 0 dimasukkan ke dalam persamaan di atas, maka persamaan tersebut berubah menjadi:

E  d cos   

v2 2g

Untuk aliran dengan kemiringan d cos θ = y dan α - 1 (kecepatan dianggap sama dengan kecepatan rata-rata), maka:

E y

v2 2g

Dimana: E

= Energi spesifik (m)

d

= Kedalaman penampang aliran (m)

y

= Kedalaman aliran (m)

α

= Koefisien energi

θ

= Sudut kemiringan dasar saluran (o)

g

=

Percepatan gravitasi (m/dt2)

Berdasarkan pengaruh gaya tarik bumi aliran dibedakan menjadi aliran subkritis, kritis, dan superkritis. Ketiga aliran ini dapat diketahui melalui nilai bilangan Froude (Fr).

v

Fr 

g.y

Dimana: Fr

= Bilangan Froude

V

= Kecepatan aliran (m/dt)

g

= Percepatan gravitasi (m/dt2)

y

= Kedalaman aliran (m)

1)

Aliran Kritis (Critical Flow) Aliran disebut kritis apabila gangguan permukaan (misalnya: riak yang terjadi jika sebuah batu dilempar ke dalam aliran sehingga menimbulkan gelombang) tidak akan bergerak/menyebar melawan arah arus. Aliran kritis terjadi bilamana kecepatan aliran sama dengan kecepatan rambat gelombang. Pada kondisi ini bilangan Froude Fr = 1.

2)

Aliran Subkritis (Subcritical Flow) Aliran disebut subkritis apabila gangguan yang terjadi di suatu titik pada aliran dapat menjalar ke arah hulu (semua riak yang timbul dapat bergerak melawan arus). Aliran subkritis dipengaruhi oleh kondisi hilir, dengan kata lain keadaan di hilir akan mempengaruhi aliran di sebelah hulu. Pada kondisi ini bilangan Froude Fr < 1.

3)

Aliran Superkritis (Supercritical Flow) Apabila kecepatan aliran cukup besar sehingga gangguan yang terjadi tidak menjalar ke hulu (semua riak yang ditimbulkan dari suatu gangguan adalah mengikuti arah arus) maka aliran adalah superkritis. Dalam hal ini kondisi di hulu akan mempengaruhi aliran di sebelah hilir. Pada kondisi ini bilangan Froude Fr > 1.

Gambar 11. Pola Penjalaran Gelombang di saluran Terbuka (Triatmojo, 1993)