TUGAS PAPER

MATA KULIAH HIDROLIKA

MENGIDENTIFIKASI JENIS ALIRAN PADA SALURAN TERBUKADENGAN MENGGUNAKAN PERSAMAAN - PERSAMAAN ALIRAN

OLEH :

Sony Andre Pratikto

05081006013

TEKNIK PERTANIAN

JURUSAN TEKNOLOGI PERTANIAN

FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SRIWIJAYA

INDRALAYA

2010

DAFTAR ISI

COVER

Kata Pengantar....................................................................................................

Daftar Isi..............................................................................................................

PENDAHULUAN...................................................................................................

Latar Belakang.....................................................................................................

Tujuan..................................................................................................................

TINJAUAN PUSTAKA............................................................................................

HASIL dan PEMBAHASAN...................................................................................

PENUTUP............................................................................................................

Kesimpulan.........................................................................................................

Saran...................................................................................................................

DAFTAR PUSTAKA...............................................................................................

Kata Pengantar

Dalam rangka menyelesaikan kewajiban, Saya selaku Mahasiswa wajib

menyelesaikan tugas yang telah diberikan oleh Dosen mata kuliah umum Hidrolika. Tak

lupa juga saya ucapkan puji dan syukur atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa dan junjungan

Nabi besar Muhammad SAW, yang telah memberikan kesehatan rohaniah maupun jasmani

sehingga saya dapat mengerjakan tugas ini dengan lancar dan insyaallah bermanfaat bagi

yang membaca makalah atau tugas yang saya buat ini.

Paper ini berisikan mengenai mengidentifikasi jenis aliran pada saluran

terbuka dengan menggunakan persamaan – persamaan aliran

Oleh karena itu, makalah ini sekali lagi Penulis ucapkan semoga bermanfaat bagi

yang membaca dan semoga memberikan berkah kepada kita tentang pedoman kita dalam

kehidupan bermasyarakat dan bernegara. Dan juga saya menyadari, bahwa isi makalah ini

masih jauh dari sempurna. Karena itu kritik, masukkan dan sumbang saran yang membaca

sangat Saya harapkan, Sekian .

Wassalamu’ alaikum WR. WB.

Palembang, Juni 2010

Sony Andre Pratikto

MENGIDENTIFIKASI JENIS ALIRAN PADA SALURAN TERBUKADENGAN MENGGUNAKAN PERSAMAAN - PERSAMAAN ALIRAN

I. PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Ditinjau dari mekanika aliran, terdapat dua macam aliran yaitu aliran saluran

tertutup dan aliran saluran terbuka. Dua macam aliran tersebut dalam banyak hal

mempunyai kesamaan tetapi berbeda dalam satu ketentuan penting. Perbedaan

tersebut adalah pada keberadaan permukaan bebas; aliran saluran terbuka

mempunyai permukaan bebas, sedang aliran saluran tertutup tidak mempunyai

permukaan bebas karena air mengisi seluruh penampang saluran. Dengan

demikian aliran saluran terbukamempunyai permukaan yang berhubungan dengan

atmosfer, sedangaliran saluran tertutup tidak mempunyaihubungan langsung

dengan tekanan atmosfer.

Aliran air dalam suatu saluran dapat berupa aliran dalam saluran terbuka, dan

dapat pula berupa aliran dalam pipa. Kedua jenis aliran tersebut memiliki prinsip yang

sangat berbeda. Aliran melalui saluran terbuka adalah aliran yang memiliki permukaan

bebas sehingga memiliki tekanan udara walaupun berada dalam saluran yang tertutup.

Adapun aliran dalam pipa merupakan aliran yang tidak memiliki permukaan bebas,

karena aliran air mengisi saluran secara terus menerus, sehingga tidak dipengaruhi oleh

tekanan udara dan hanya dipengaruhi oleh tekanan hidrostatik.

Analisis yang dilakukan pada saluran terbuka lebih sulit dibandingkan analisis yang

dilakukan pada aliran dalam pipa dan pada umumnya analisis pada saluran terbuka

menggunakan persamaan-persamaan empiris. Hal tersebut dilakukan karena analisis

aliran pada saluran terbuka memiliki banyak variabel yang berubah-ubah dan tidak

teratur terhadap ruang dan waktu. Variabel-variabel tersebut antara lain penampang

saluran, kekasaran permukaan saluran, kemiringan saluran, debit aliran, kecepatan aliran,

pertemuan saluran (junction), dan sebagainya.

Kondisi aliran dalam saluran terbuka yang rumit berdasarkan kenyataan

bahwa kedudukan permukaan yang bebas cendrung berubah sesuai waktu dan

ruang, dan juga bahwa kedalaman aliran, debit, kemiringan dasar saluran dan

permukaan bebas adalah tergantung satu sama lain. Kondisi fisik saluran terbuka

jauh lebih bervariasi dibandingkan dengan pipa. Kombinasi antara perubahan

setiap parameter saluran akan mempengaruhi kecepatan yang terjadi. Disisi lain

perubahan kecepatan tersebut akan menentukan keadaaan dan sifat aliran. Hal ini

lah yang ingin diketahui untuk menentukan pengaruh ketinggian terhadap

kecepatan yang terjadi.

Perilaku aliran dalam saluran yang peka erosi dipengaruhi oleh berbagai

faktor fisik dan oleh keadaan lapang yang sangat kompleks dantidak menentu

sehingga memerlukan perancangan yang tepat untuk saluran semacam ini.

Δx/2 Δx/2Gambar 1.1. Aliran yang Melewati Suatu

GAMBAR. Aliran yang Melewati Suatu Pias

Untuk aliran fluida adapun beberapa persaman-persaman yang digunakan yaitu :

1. Persamaan Kontinuitas

2. Persamaan Energi

3. Persamaan Momentum

4. Persamaan Bernoulli

I.2 TUJUANPaper Ini memiliki tujuannya yaitu sebgai berikut :

1. Menganalisis sifat aliran air dengan dari jenis aliran pada saluran terbuka

2. Mengidentifikasi jenis aliran pada saluran terbuka

3. Menganalisis pengaruh peningkatan kedalaman saluran terhadap kecepatan pada

saluran

4. Mengidentifikasi jenis aliran akibat tidak seragamnya aliran pada saluran

terbuka

II. TINJAUAN PUSTAKA

turbulen. Jenis aliran ini didapatkan dari hasil eksperiman yang dilakukan oleh

Osborne Reynold tahun 1883 yang mengklasifikasikan aliran 3 jenis. Jika air mengalir

melalui sebuah pipa berdiameter d dengan kecepatan rata-rata V maka dapat diketahui

jenis aliran yang terjadi. Berdasarka eksperimen tersebut maka didapatkan bilangan

reynold dimana bilangan ini tergantung pada kecepatan fluida, kerapatan, viskositas, dan

diameter. Aliran dikatakan laminar jika partikel-partikel fluida yang bergerak teratur

mengikuti lintasan yang sejajar pipa dan bergerak dengan kecepatan sama. Aliran ini

terjadi apabila kecepatan kecil atau kekentalan besar. Aliran disebut turbulen jika tiap

partikel fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di sepanjang pipa dan hanya

gerakan rata-rata saja yang mengikuti sumbu pipa. Aliran ini terjadi apabila kecepatan

besar dan kekentalan zat cair kecil (Osborne Reynold, 1883)

Berikut ini penjelasan sederhana mengenai pergerakan sedimen-suspensi yang

diajukan oleh Sutherland (Bogardi, 1978 : 346) :

1. Pada aliran turbulen selalu terjadi pusaran-pusaran (vortex/eddies). Pada waktu

pusaran-pusaran tersebut mendekati dasar, pusaran tersebut akan terdistorsi yang

mengakibatkan meningkatnya kecepatan pusaran yang akan mempengaruhi lapisan

permukaan dari partikel pada dasar. Akibatnya adalah bahwa tegangan geser lokal pada

titik tersebut akan bertambah, yang selanjutnya menyebabkan menggulingnya partikel

sedimen, dan terjadilah proses awal pergerakan butiran. Karena ukuran dari pusaran-

pusaran pada aliran turbulen lebih besar dari pada ukuran partikel, maka banyak partikel

yang akan bergerak, yang kemudian akan diendapkan pada tempat lain yang tidak

terpengaruh oleh pusaran-pusaran aliran. Pada waktu bergerak, bilamana kondisinya

memungkinkan partikel-partikel tersebut akan mudah tertarik karena pengaruh

komponen kecepatan vertikal. Jika komponen kecepatan tersebut cukup besar, partikel

akan terangkat dan terlepas dari dasar sehingga terjadi pergerakan partikel sebagai

suspensi.

2. Faktor lain yang ikut berperan adalah gaya angkat yang bekerja pada partikel.

Demikian pula jika dasar bergelombang (riple atau dune), kondisi dasar akan

mempermudah terjadinya penarikan sedimen lepas dari dasar, hal ini terutama terjadi

pada daerah cekungan dari gelombang-gelombang dasar.

Persamaan Energi

Arus air yang mengalir mengandung energi. Melalui sebuah turbin air, energi arus

air tersebut bentuknya dapat dirubah. Bentuk energi yang dimiliki fluida dapat dibagi

atas 4 bentuk :

1. Energi Kinetik Fluida, yaitu merupakan bentuk energi yang dimiliki oleh

fluida dengan massa m (kg) dan kecepatan C (m/s).

EK = m c2

2. Energi Potensial Fluida, yaitu bentuk energy yang dimiliki fluida dengan

massa m (kg) dimana energi yang timbul disebabkan oleh pengaruh dari

gravitasi bumi g (m/s2) yang di definisikan sebagai :

E p = m g z

3. Energi Tekanan, yaitu energi yang disebabkan oleh adanya gaya yang

diberikan oleh unit massa fluida dengan massa jenis ( ρ ) pada suatu bidang

yang didefinisikan :

E t = m

4. Energi Dalam, yaitu suatu energi yang dimiliki fluida yang besarnya

dipengaruhi

oleh temperatur dan tekanan fluida itu sendiri, didefinisikan sebagai :

d Q = d U + d pv

Untuk fluida inkompresible seperti air, energy dalam dapat diabaikan dalam

perhitungan, karenaenergi dalam tidak memberikan efek yang besar terhadap kerja

mesin fluida (δU = 0). Pada instalasi turbin air terdapat adanya perbedaan tinggi air

masuk dan keluar, hal ini terjadi karena perbedaan ketinggian dari permukaan air

akibat perubahan aliran air. Dimana energi aliran akan berubah menjadi energi pada

poros oleh turbin dalam bentuk head atau ketinggian.

Triatmodjo (1990) menyatakan bahwa aliran tersebut permanen jika variabel

di suatu titik seperti kedalaman dan kecepatan tidak berubah terhadap waktu.

Kironoto (1993) melakukan studi eksperimental mengenai karakteristik turbulen

pada aliran seragam dan tak seragam dengan saluran terbuka dasar kasar. Dianalisis

efek dari ketidakseragaman pada aliran turbulen kasar, khususnya efek percepatan

dan perlambatan dalam bentuk profil kecepatan rata-rata dan karakteristik turbulen

yang terjadi. Hasil penelitian untuk kasus aliran seragam menunjukkan bahwa

hokum universal dinding (Br 9 8,5) dapat menjelaskan data pada inner region dengan

baik, nilai aspect ratio b/H > 5, kecepatan maksimum terjadi di permukaan aliran,

sedangkan pada b/H < 5, kecepatan maksimum berada di bawah permukaan aliran.

Pada dasarnya keadaan atau sifat aliran saluran terbuka ditentukan oleh

pengaruh kekentalan/viskositas dan gravitasi sehubungan dengan gaya-gaya inersia

aliran. Pengaruh dari kekentalan ini dapat mengakibatkan aliran bersifat laminer,

turbulen dan transisi. Aliran bersifat laminer bila gaya kekentalan relatif besar

dibandingkan dengan gaya kelembaman/inersia, sehingga pengaruh kekentalan besar

terhadap sifat aliran. Dalam aliran laminer partikel-partikel fluida seolah-olah

bergerak menurut lintasan tertentu yang teratur atau lurus, dan selapis cairan yang

sangat tipis seperti menggelincir di atas lapisan di sebelahnya.

Aliran adalah turbulen bila gaya kekentalan relatif kecil dibandingkan dengan

gaya kelembamannya. Pada aliran turbulen partikel-partikel fluida bergerak menurut

lintasan yang tidak teratur, tidak lancar dan tidak tetap, walaupun partikel-partikel

dalam aliran tersebut secara keseluruhan tetap menunjukkan gerakan maju. Aliran

disebut bersifat peralihan (transisi) apabila keadaan alirannya bersifat suatu

campuran antara keadaan laminer dan turbulen.

III. PEMBAHASAN

Dalam mengidentifikasi jenis aliran pada saluran terbuka perlu dilakukan dengan

mengidentifikasi melalui persamaan-persamaan pada jenis aliran yaitu meliputi :

1. Persamaan-Persamaan Untuk Aliran

Untuk aliran fluida adapun beberapa persaman-persaman yang digunakan yaitu :

1. Persamaan Kontinuitas

2. Persamaan Energi

3. Persamaan Momentum

4. Persamaan Bernoulli

1. Persamaan Kontinuitas

Persamaan kontinuitas digunakan untuk menyeimbangkan kapasitas aliran dan

volume untuk sebuah jaringan distribusi. Dengan asumsi fluida merupakan

fluida inkompresibel dengan massa jenis (ρ) konstan

P =

dimana : ρ = massa jenis ( kg/m3) m= massa ( kg) v = vomume ( m3 )

Qin = Qout ±

dimana : ΔV= perubahan volume (m3) Δt = interval waktu

2. Persamaan Energi

Persamaan energi menunjukkan keseimbangan energi yaitu energy masuk sama

dengan energi keluar dan dinyatakan dalam persamaan

E1 = E2

3. Persamaan momentum

Persamaan momentum mengganbarkan tahan pipa terhadap beban dinamik yang

disebabakan oleh aliran bertekanan. untuk fluida inkompresibel momentum M

(N) dirumuskan

M = pQv

Dimana: ρ = massa jenis (kg/m3) Q= kapasitas aliran (m3/s) v = kecepatan fluida (m/s)

4. Persamaan Bernoulli

Penurunan persamaan Bernoulli untuk aliran sepanjang garis arus didasarkan

ada hokum Newton II. Persamaan ini diturunkan dengan anggapan bahwa:

1. Zat cair adalah ideal, jadi tidak mempunyai kekentalan (kehilangan energi

akibat gesekan adalah nol).

2. Zat cair adalah homogen dan tidak termampatkan (rapat massa zat cair

adalah konstan).

3. Aliran adalah kontiniu dan sepanjang garis arus.

4. Kecepatan aliran adalah merata dalam suatu penampang.

5. Gaya yang bekerja hanya gaya berat dan tekanan.

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.

1. Konsep ini dinyatakan ke dalam bentuk persamaan yang disebut dengan

persamaan Bernoulli, yaitu:

dimana: p1 dan p2 = tekanan pada titik 1 dan 2

v1 dan v2 = kecepatan aliran pada titik 1 dan 2

z1 dan z2 = perbedaan ketinggian antara titik 1 dan 2

γ = berat jenis fluida

g = percepatan gravitasi = 9,806 m/s2

dimana: p1 dan p2 = tekanan pada titik 1 dan 2

v1 dan v2 = kecepatan aliran pada titik 1 dan 2

z1 dan z2 = perbedaan ketinggian antara titik 1 dan 2

γ = berat jenis fluida

g = percepatan gravitasi = 9,806 m/s2

Gambar. Ilustrasi persamaan Bernoulli

Persamaan di atas digunakan jika diasumsikan tidak ada kehilangan energi

antara dua titik yang terdapat dalam aliran fluida, namun biasanya beberapa head losses

terjadi diantara dua titik. Jika head losses ini tidak diperhitungkan maka akan menjadi

masalah dalam penerapannya di lapangan. Jika head losses dinotasikan dengan “hl”

maka persamaan Bernoulli di atas dapat ditulis menjadi persamaan baru, dimana

dirumuskan sebagai:

Persamaan diatas dapat digunakan untuk menyelesaikan banyak permasalahan

type aliran, biasanya untuk fluida inkompresibel 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.

2. Jenis Aliran Fluida

Aliran fluida dapat dibedakan atas 3 jenis yaitu aliran laminar , aliran transisi

dan aliran turbulen. Jenis aliran ini didapatkan dari hasil eksperiman yang dilakukan

oleh Osborne Reynold tahun 1883 yang mengklasifikasikan aliran 3 jenis. Jika air

mengalir melalui sebuah pipa berdiameter d dengan kecepatan rata-rata V maka dapat

diketahui jenis aliran yang terjadi. Berdasarka eksperimen tersebut maka didapatkan

bilangan reynold dimana bilangan ini tergantung pada kecepatan fluida, kerapatan,

viskositas, dan diameter. Aliran dikatakan laminar jika partikel-partikel fluida yang

bergerak teratur mengikuti lintasan yang sejajar pipa dan bergerak dengan kecepatan

sama. Aliran ini terjadi apabila kecepatan kecil atau kekentalan besar. Aliran disebut

turbulen jika tiap partikel fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di sepanjang

pipa dan hanya gerakan rata-rata saja yang mengikuti sumbu pipa. Aliran ini terjadi

apabila kecepatan besar dan kekentalan zat cair kecil.

1. Bilangan Reynold (Re) dapat dihitung dengan persamaan:

dimana: ρ = massa jenis fluida (kg/m3)

d = diameter dalam pipa (m)

v = kecepatan aliran fluida (m/s)

μ = viskositas dinamik fluida (Pa.s)

Karena viskositas dinamik dibagi dengan massa jenis fluida merupakan

viskositas kinematik (v) maka bilangan Reynold dapat juga dinyatakan:

Menurut Orianto (1989), berdasarkan percobaan aliran didalam pipa,

Reynolds menetapkan bahwa untuk angka Reynolds dibawah 2000, gangguan

aliran dapat diredam oleh kekentalan zat cair maka disebut aliran laminar. Aliran

akan menjadi turbulen apabila angka Reynolds lebih besar dari 4000. Apabila

angka Reynolds berada di antara kedua nilai tersebut (2000 < Re < 4000) disebut

aliran transisi.

IV. PENUTUP

IV.1 KESIMPULAN

Dari paper ini dapat disimpulakan bagaimana mengidentifikasi jenis –

jenis aliran yaitu dari mengidentifikasi lebih lanjut aliran saluran terbuka

dibutuhkan “elemen geometri aliran” yaitu: Lebar Dasar (B), Lebar permukaan

(T), Kedalaman Aliran Luas Penampang (A), Keliling Basah (P), dan Jari jari

Hydraulik (R). Elemen geometrik ini dapat diukur dan dihitung untuk berbagai

bentuk penampang saluran. Kriteria aliran dibedakan ditetapkanmenurut

perubahan kecepatan ataukedalaman aliran menurut waktu dan tempat. Dari

perubahan kecepatanatau kedalaman aliran tersebut dapatdibedakan antara :

aliran tetap (steady flow) dan alairan tidak tetap(unsteady flow), aliran

seragam(uniform flow) dan aliran tidakseragam (ununiform flow). Aliranseragam

dapat berupa aliranberubah lambat laun (graduallyvaried flow) dan aliran

berubahdengan cepat (rapidly varied flow).

IV.2 SARAN

Didalam pembuatan paper ini perlu diketahui berbagai persamaan-

persamaan jenis aliran dari saluran terbuka, yaitu dari penggunaan rumus –

rumus yang terdapat dalam persamaan – persamaan jenis aliran.

DAFTAR PUSTAKA

McCabe, W.L., Smith. J.C., dan Harriott. P., Unit Operaration in ChemicalEngineering, ed. 4. McGraw-Hill. New York, 1985

Gean Koplis, C.J.,Transport Processes and Unit Operations, eds. 2, Allynand Bacon, inc., 1978

Munson and Young ., Fundamentals of Fluid Mechanics, eds. 4. Jakarta,Erlangga 2004