Bab 5 Karakteristik Aliran Melalui V-notch(2)

PERCOBAAN 5 KARAKTERISTIK ALIRAN MELALUI PINTU AIR V-NOTCH

?

?

A. TUJUAN Pengamatan aliran melalui pintu air V- Notch.

B. PERALATAN 1.

1 (satu) set saluran terbuka.

2.

Pintu sorong.

3.

Alat pengangkut.

4.

Alat ukur.

5.

Stopwatch.

C. DASAR TEORI

Q = Cd.

8  5 . 2 g . tan .H 2 15 2

Simpanan tambahan diatas mercu pelimpah dapat diadakan dengan memasang pintu air sementara atau air gerak. Kenaikan permukaan air waduk semacam ini dapat dibenarkan pada musim air rendah, yaitu pada waktu aliran rendah dapat diizinkan melalui alat pengendali mercu. Bila suatu banjir besar terjadi, kapasitas penuh pelimpah dapat diperoleh dengan mengangkat penghalang- penghalang sementara tersebut. Alat- alat ini haruslah digunakan

dengan hati- hati pada pelimpah bendungan urugan, dimana kegagalan kerja pintu air dapat berakibat terjadinya luapan diatas bendungan.

Papan Penutup Instalasi papan penutup yang biasa terdiri dari panel- panel kayu yang terjepit oleh penguat- penguat tegak yang dipasang oleh mercu pelimpah. Instalasi semacam ini bersifat sementara dan dirancang untuk jebol bila permukaan air di waduk melampaui elevasi yang ditentukan. Suatu rancangan umum menggunakan pipa atau batang baja yang dirangkai dengan longgar dalam lubang- lubang di mercu bendungan dan dirancang untuk terbengkok serta melepaskan papan penutupnya pada taraf air tertentu. Papan penutup sementara semacam ini telah digunakan dengan tinggi hingga 4 atau 5 ft ( 1,3 atau 1,7 m ). Karena papan penutup sementara akan hilang setiap kali penunjangnya runtuh, maka papan penutup tetap akan lebih ekonomis untuk instansi besar. Papan penutup besar biasanya terdiri dari panel- panel yang dapat diangkat atau diturunkan dari suatu ‘Cableway’ atau jembatan yang terletak lebih tinggi. Ujung bawah panel- panel diletakkan didalam suatu dudukan atau engsel diatas mercu pelimpah, sedangkan panel-panelnya ditunjang dalam kedudukan miring oleh penyokong- penyokong atau dengan mengikatkan tepi atas panel- panel tersebut ke jembatan. Beberapa jenis pintu air :  Pintu air angkat  Pintu air segmen  Pintu air gelinding

 Pintu air drum  Pintu Air Angkat Kayu sederhana atau pintu baja yang meluncur didalam alur celah tegak pada tiang diatas mercu bendungan seiring digunakan untuk instalasi kecil. Ukurannya dibatasi oleh gaya geser yang terdapat didalam alur celah akibat gaya hidrostatik yang bekerja pada pintu air itu. Tahanan geser akan dapat banyak dikurangi dengan memasang roda- roda silindris diantara permukaan bantalan pintu air dan alur celah yang bersangkutan. Pintu air Stoney memiliki roda- roda yang bebas dari pintu air maupun alur celahnya, sehingga geseran poros dapat dihilangkan. Rentetan roda pintu air Stoney yang bebas tersebut sulit dirancang dan dibangun, sehingga perkembangan bantalan roda tetap, yaitu yang roda- rodanya melekat pada pintu air dan meluncur didalam jalur- jalur disisi hilir alur celahnya. Suatu pintu air berukuran 50 ft persegi mungkin harus memikul beban air lebih dari 2000 ton, sedangkan berat pintunya sendiri mungkin 150 ton. Perancangan pintu air semacam ini serta mekanisme kerjanya merupakan suatu masalah bangunan dan mesin yang lumayan besar. Garis jalur roda- roda dan alur celahnya haruslah dibuat dengan cermat agar pintu air yang bersangkutan dapat bekerja dengan memuaskan.

 Pintu Air Segmen Penampang melintang dari suatu pintu air segmen atau radial diperlihatkan pada gambar. Ini adalah jenis pintu air mercu yang paling banyak digunakan untuk instalasi- instalasi besar, karena paling sederhana dan biayanya paling dapat diandalkan serta tidak mahal. Permukaan pintu air berupa suatu segmen silindris yang didukung oleh suatu kerangka baja yang bersumbu pada poros- poros engsel yang dipasang pada bagian hilir tiang- tiang diatas mercu pelimpah.

 Pintu Air Gelinding Suatu pintu air gelinding atau pintu air roda terdiri dari silindris baja yang terbentang diantara tiang- tiang. Setiap tiang mempunyai suatu rak miring yang dikaitkan dengan gigi- gigi jentera yang mengelilingi ujung- ujung silinder. Bila kabel kerekan dibalik, pintu air akan menggelinding keatas, menyusur rak. Bagian bawah dari pintu air terdiri dari suatu segmen silindris yang bersentuhan dengan mercu pelimpah dan menambah tingginya pintu air. Pintu air gelinding cocok untuk bentangan lebar dengan ketinggian sedang. Suatu pintu air gelinding yang panjangnya 147 ft dan tingginya 21 ft telah dipasang di sungai Glommen di Norwegia.

Instalasi pintu air gelinding yang umum

 Pintu Air Drum Jenis pintu air lain yang cocok untuk bentangan panjang adalah pintu air drum. Pintu air ini terdiri dari suatu segmen dari sebuah silinder yang pada keadaan terbuka atau diturunkan akan cocok dengan suatu ceruk dimercu pelimpah. Bila air dimasukkan kedalam ceruk itu, pintu air drum yang kosong akan dipaksa naik ke posisi tertutup.

Jenis yang dikembangkan oleh U.S. Bureu of Reclamation adalah suatu pintu air yang sepenuhnya tertutup, dengan engsel pada ujung hulunya, sehingga gaya apung akan membantu pengangkatannya. Pintu air jenis ini cocok untuk operasi otomatis dan juga sangat sesuai untuk bentuk mercu lengkung bila diturunkan. Jenis kedua tidak mempunyai pelat dasar dan semata- mata diangkat oleh tekanan air saja. Karena besarnya ceruk yang diperlukan oleh pintu- pintu air drum pada keadaaan diturunkan, maka tidak cocok untuk bendungan- bendungan kecil.

Pengukuran Aliran Saluran Terbuka Metoda dasar pengukuran aliran saluran terbuka tergantung dari faktor kritikal aliran. Untuk aliran kritikal yaitu dengan angka Froude, Fr = 1 maka kecepatan aliran sama dengan kecepatan kritikal, sehingga laju aliran dapat dihitung dari pengukuran kedalaman fluida. Fr 

V  Vc

V 

gyc

V gyc

1

Pada saluran yang ada halangannya berupa bendung (weir) maka laju aliran merupakan fungsi dari kedalaman aliran pada bendungnya. Bendung atau weir adalah sebuah halangan parsial di suatu saluran terbuka yang sedemikian

rupa sehingga fluida yang mengalir diatasnya mengalami percepatan dengan permukaan bebas. Bentuk bendung secara umum ada 3 jenis : 1. Bendung berpuncak tajam (Sharp-crested Weirs) 2. Bendung berpuncak lebar (Broad-crested Weirs) 3. Pintu Air (Sluice gate) Bendung Berpuncak Tajam (Sharp-crested Weirs) Dekat puncak bendung garis arus aliran melengkung tajam sehingga variasi tekanan statis akan besar. Untuk itu diperlukan penentuan koefisien buang secara empiris agar diperoleh perhitungan yang lebih akurat. Berbagai bentuk bendung berpuncak tajam telah diteliti antara lain ada 3 jenis yaitu : horisontal lebar penuh, horisontal tidak penuh, bendung bertakik V (Vnotch). Luas penampang aliran fluida tegak lurus bendung, sebanding dengan perbedaan kedalaman antara fluida dan tinggi bendung, ( y1 - zw ), sehingga :

 L A  b   y1  zw   b

Jika kecepatan aliran pada hulu diabaikan maka kecepatan fluida melintas bendung dapat ditentukan dengan persamaan Bernoulli sbb :

V  g y1  zw 

Kapasitas aliran dapat dihitung dengan melengkapi koefisien discharge secara empiris menjadi :





L Q  C b  g y  z 3 / 2 d b 1 w

Luas penampang aliran fluida melewati bendung takik V adalah sebanding dengan (y1 - zw )2,



 







A  y  z tg y  z  tg y  z 1 w 2 1 w 2 1 w



2

sehingga kapasitas aliran adalah:

Q  CD tg

 2

g  y1  zw 

5/ 2

Pemilihan bendung untuk kondisi tertentu tergantung kepada : selang kapasitas aliran yang akan diukur, akurasi dan pengkalibrasian setelah bendung terpasang.

Bendung Berpuncak Lebar (Broad-Crested Weirs)

Aliran melintas bendung berpuncak lebar seperti terlihat pada gambar. dapat menimbulkan aliran kritis pada puncak bendungnya apabila kedalaman air

di hilir bendung rendah. Kapasitas aliran dapat dihitung dengan persamaan untuk aliran dengan angka Fr = 1 yaitu :

Vc  gyc

Q = Cd byc gyc

= b g yc

3/ 2

Bila bendungnya panjang dan kedalaman air di hilir rendah akan terjadi aliran terjun bebas (free overfall). Dari percobaan diperoleh :

yb  0,72 yc dan Lc  3,5 yc

Pintu Air (Sluice Gate)

Pintu air umumnya digunakan untuk mengatur kapasitas discharge/aliran buang. Untuk yang hilirnya dangkal maka kapasitas aliran dapat dihitung dengan persamaan :

Q  Cd bzg 2gy1 Dari percobaan nilai Cd berkisar antara 0,6
Pada saluran yang ada halangannya berupa bendung (weir) maka laju aliran merupakan fungsi dari kedalaman aliran pada bendungnya. Bendung atau weir adalah sebuah halangan parsial di suatu saluran terbuka yang sedemikian rupa sehingga fluida yang mengalir diatasnya mengalami percepatan dengan permukaan bebas.

Kritikal Flumes Pengukuran aliran untuk saluran terbuka dapat ditentukan dengan akurat mempergunakan bendung. Namun ada beberapa kesulitan dalam prakteknya yaitu:  Bendung dapat dikotori debu atau material endapan  Gangguan karena ujungnya yang tajam  Head lossnya tinggi Kendala tersebut dapat diatasi dengan mempergunakan pengukur aliran kritikal Parshall Flume yaitu aliran melalui celah yang sempit. Parshall Flume dibuat dengan pembagian 3 daerah aliran yaitu, bagian hulu yang dasar datar dengan dindingnya menyempit (converging walls), bagian tengah atau bagian tenggorok ( throat ) yang dindingnya sejajar dengan dasarnya menurun (downward) , dan bagian keluaran yang dindingnya membesar (diverging walls) dengan dasar yang menanjak (upward). Parshall Flume banyak digunakan pada pengukuran aliran irigasi , karena flume tidak perlu dibersihkan, head yang dibutuhkan relatif rendah dan memberikan hasil pengukuran yang cukup akurat pada selang kapasitas aliran yang besar.

Persamaan Kecepatan Dari Aliran Seragam Untuk perhitungan hidrolik kecepatan rata–rata dari aliran turbulen di dalam saluran terbuka biasanya dinyatakan oleh suatu rumus aliran seragam. Persamaan yang paling praktis dapat dinyatakan dalam bentuk sebagai berikut:

V = C Rx iy

dimana : V = kecepatan rata–rata C = faktor hambatan aliran R = jari–jari hidrolik if = kemiringan garis energi \ Untuk aliran seragam if = iw = i0 iw = kimiringan permukaan air i0 = kemiringan dasar saluran Persamaan tersebut menyatakan bahwa kecepatan aliran tergantung pada jenis hambatan (C), geometri saluran (R) dan kemiringan aliran :

i=

H L

dimana ΔH adalah perbedaan tinggi energi di hulu dan di hilir. Persamaan tersebut dikembangkan melalui penelitian di lapangan. Aliran seragam merupakan aliran yang tidak berubah menurut tempat. Konsep aliran seragam dan aliran kritis sangat diperlukan dalam peninjauan aliran berubah dengan cepat atau berubah lambat laun. Perhitungan kedalaman kritis dan kedalaman normal sangat penting untuk menentukan perubahan permukaan aliran akibat gangguan pada aliran. Terdapat dua kriteria utama untuk aliran seragam yaitu : 1. Kedalaman aliran Luas penampang, penampang basah, dan debit aliran pada setiap penampang dari suatu panjang aliran adalah tetap. 2. Garis energi Garis permukaan aliran, dan sasar saluran sejajar, dan ini berarti bahwa kemiringan garis energi (if), garis permukaan air (iw) dan dasar saluran (ib) adalah sama atau : if= iw = ib

Apabila aliran terjadi di dalam suatu saluran, hambatan akan menghadang aliran air dari hulu ke hilir. Hambatan tersebut berlawanan dengan komponen gaya gravitasi di arah aliran. Aliran seragam terbentuk apabila hambatan diimbangi oleh gaya gravitasi.

Ditinjau dari perubahan terhadap waktu maka aliran dapat berupa aliran tetap dimana:

y y V V  0 dan  0;  0 dan 0 S t S t Atau aliran tidak tetap, dimana :

y y V V  0 tetapi  0;  0 tetapi 0 S t S t

Tetapi di dalam kenyataannya aliran seragam tidak tetap tidak pernah terjadi, maka yang dimaksud disini aliran seragan adalah aliran seragam tetap.

Analisa aliran melalui saluran terbuka adalah lebih sulit daripada aliran melalui pipa (saluran tertutup). Di dalam pipa tampang lintang aliran adalah tetap yang tergantung pada dimensi pipa. Demikian juga kekasaran dinding pipa adalah seragam di sepanjang pipa. Pada saluran terbuka, misalnya sungai, variable aliran sangat tidak teratur baik terhadap ruang maupun waktu. Variable tersebut adalah tampang lintang saluran, kekasaran, kemiringan dasar, belokan, debit aliran dan sebagainya. Ketidakteraturan tersebut mengakibatkan analisis aliran sangat sulit untuk diselesaikan secara analitis. Oleh karena itu, analisis aliran melalui pipa terbuka adalah lebih empiris daripada dibandingkan dengan aliran melalui pipa. Sampai

saat ini metoda empiris masih yang terbaik untuk menyelesaikan masalah tersebut. Untuk Saluran buatan seperti saluran irigasi, drainase, saluran pembawa pada pembangkit listrik tenaga air atau untuk keperluan industri, karakteristik aliran disepanjang saluran adalah seragam. Analisis aliran jauh lebih sederhana daripada aliran melalui saluran alam. Teori aliran yang ada dapat digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dengan teliti. Pada umumnya tipe aliran yang melalui saluran terbuka adalah turbulen Karena kecepatan aliran dan kekasaran dinding relative besar, aliran melalui saluran terbuka disebut seragam (uniform). Apabila berbagai variable seperti kedalaman, tampang basah,kecepatan , dan debit, pada setiap tampang di sepanjang aliran adalah konstan. Pada aliran seragam, garis muka air dan dasar saluran adalah sejajar sehingga kemiringan dari ketiga garis tersebut adalah sama, kedalaman air pada aliran seragam disebut dengan kedalaman air pada aliran seragam disebut dengan kedalaman normal Yn. Untuk debit aliran dan luas tampang lintang saluran tertentu kedalaman normal adalah konstan di seluruh panjang saluran. Selain itu, aliran melalui saluran terbuka juga disebut subkritis apabila suatu gangguan yang terjadi disuatu titik pada aliran dapat menjalar kea rah hulu. Aliran subkritis dipengaruhi oleh kondisi hilir, dengan kata lain keadaan hilir akan mempengaruhi keadaan di hulu, maka aliran yang terjadi tersebut disebut aliran superkritis.

D. PROSEDUR PERCOBAAN 1. Pastikanlah saluran dalam posisi mendatar dengan pintu air di dasar yang akan dilaluinya. 2. Pasanglah pintu air V- Notch dan alirkanlah air sampai aliran melampaui pintu air. 3. Hentikan aliran air dan saat air berhenti melampaui pintu air, aturlah alat ukur pada aliran diatas dari pintu air dan tentukan datumnya. 4. Aturlah aliran air ke dalam saluran sampai ketinggian H, penambahan sekitar 10 mm setiap tahap. 5. Ukurlah nilai Q pada masing – masing tahap, dan tinggi H.

E. HASIL DAN PERHITUNGAN

t

Q

(detik)

-4

(x 10 m /s

0,01

53.82

0,02 0,03

H (m )

H5/2

Q2/5

Cd

0,929

10-5

0.0244

3.934

33.27

1.503

5,66. 10-5

0.0296

1.125

19.26

2.596

15,59. 10-5

0.0368

0.705

3

Pengolahan Data : Diketahui : Vol = 5 Liter = 5.10-3 m3 b = 30 cm g =10 m/s2 Ө = 450

Q=

Vol t

Q1 =

5.10 3  9,290226682.10 5 m 3 / s 53,82

Q2 =

5.10 3  1,502855425.10 4 m 3 / s 33.27

5.10 3  2,596053998.10 4 m 3 / s Q3 = 19.26

Cd =

Cd1

Q 8    52 15  2 g tan  2  H    

=

=

0,929.10 4 8  90  5  15  2.9,8 . tan 2 .10

0 ,929 x10 4 2,36116732x10 5

= 3.934

Cd2

=

=

1.503x10 4 8  90  5 15  2.9,8. tan 2 5,66.10

1.503x10 4 1.336420703x10 4

= 1.125

Cd3

=

2,596.10 4 8  90  5 2 . 9 , 8 . tan  15   2 15,59.10

= 0.705

 [



( )

]

√(

)

(

)

)

(

)

 [



( )

√(

]

E. KESIMPULAN

1.

Nilai Cd tidak tetap untuk ketinggian yang berbeda.

2.

Keuntungan dari grafik Q2/5 yaitu nilai Cd yang dapat didapat dari kemiringan grafik.

3.

Kerugian dari grafik Q2/5 yaitu akan berbanding terbalik dengan ketinggian.

4.

Rumus dalam perhitungan Cd, yaitu :

Cd  5.

Q 9,8  H

5

2

Secara umum untuk mencari Cd, yaitu :

Cd 

Q 8    52  15  2g tan 2 H

APLIKASI : 1.

Bendungan

2.

Irigasi

3.

PLTA

4.

Drainase

5.

Canal

SUMBER KESALAHAN : 1. Kerja alat kurang maksimal. 2. Kurang telitinya praktikan. 3. Kurang tepat dalam pembulatan angka. 4. Kesalahan dalam perhitungan hasil percobaan. 5. Kurang teliti dalam pengukuran pada saat praktikum berlangsung.

Soal Karakteristik Aliran Melalui V-Notch 1. Suatu pipa beridameter 300 m bercabang menjadi dua buah pipa dengan diameter 210 mm dan 150 mm. Jika debit aliran pada pipa utama adalah 1,5 m3/s dan kecepatan rerata dalam pipa yang berdiameter 210 mm adalah 3,7 m/s. Berapakah debit aliran di dalam pipa berdiameter 150mm. Jika tekanan dalam pipa berdiameter 300m adalah 7kg/cm2, berapakah tekanan pada pipa cabang, dengan anggapan bahwa pipa tersebut adalah horizontal dan zat cair ideal (kehilangan tenaga diabaikan).

2. Pipa halus dengan diameter 1,7m dan panjang 2001,2 m mengalirkan air dengan debit aliran 60 l/s. Apabila kekentalan kinematik v= 2x10-6 m2/s. Hitung kehilangan Tenaga selama pengaliran! Jawab : 1) Diketahui : Do = 300 m Qo = 1,5 m3/s Po = 7,0 kg/cm2 = 70000 kg/m2 D1 = 210 mm = 0.21 m V1 = 3,7 m/s D2 = 150 mm = 0.15 m air = 1000 kg/m3 Ditanya : P1 & P2 ?

Jawab

:

 Ao = (0.25) .  . (300)2 = 70650 m2  A1 = (0.25) .  . (0.21)2 = 0.0346 m2  A2 = (0.25) .  . (0.15)2 = 0.0177 m2  Q1 = A 1 . V1 = 0.0346 m2 . 3,7 m/s = 0.12802 m3/s  Qo = Q1 + Q2 1,5= 0.12802 + Q2 Q2 = 1.37198 m3/s  V2 = Q 2 / A2 = 1.37198 / 0.0177 = 77.513 m/s  Vo = Qo / Ao = 1,5 / 70650 = 2.12314 x 10-5 m/s





+

= +



+

(

)

=

+

= 69.30153061 P1 = 69301.53061 kg/m2





+

= +



+

(

)

=

= -236.5441413 P2 = -236544.1413 kg/m2

+

2) Diketahui : d = 1,7 m L = 2001,2 m v = 2x10-6 m2/s Q= Ditanya : Hf (kehilangan tenaga) … ?  A= = = 2.26865 m2  Q=A.V = 2.26865 m2 . V V=

= 0.02645 m/s

 = = 22480.33  Dengan rumus Blasius untuk tahanan gesek (f) pada pipa halus : 

= 0.0258  Hf =

=

-

BUKAN ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1. Sebuah saluran siku-siku dengan sudut 90o digunakan untuk mengetahui debit aliran. Apabila tinggi peluapan a+0,5 m , dan debit aliran tersebut telah diketahui sebesar 0,075 m3/s maka berapa nilai Cd yang dipakai dalam perhitungan tersebut?? ( a = Nim/100 ) Diket:

  90o H = 0,18 + 0,5 m = 0,68 m Q = 0,085 m3/s

Dit: Cd=...?

Jawab:

Q

8  5 .Cd . 2 g .tg .H 2 15 2

0,085=

5 8 90 o .Cd . 2.9,8.tg .( 0,18  0,5) 2 15 2

Cd= 0,0944

2. Bagaimana cara menentukan penampang saluran disertai 1 contoh perhitungan!! Jawab

Cara menentukan penampang saluran yang efisien yaitu dengan membuktikan melalui rumus:

B  2Zy  y Z 2 1 2

B = Lebar dengan penampang saluran Y = tinggi muka air Z = perbandingan sisi vertikal dan horizontal

Beberapa macam penampang:

a. Penampang persegi 4

b. Penampang persegi 3

c.

Penampang trapesium

d. Penampang ½ lingkaran

Contoh: Dalam konstruksi drainase berbentuk trapesium 1:1 atau 1:2 manakah yang lebih ekonomis??

Jawab: Trapesium 1:1 → Z = 1/1 = 1 B + 2Zy = 2 y Z 2  1 B + 2y = 2y√2 B = 2y(√2 – 1) B = 2y (0,414) = 0,818 y Trapesium 1:2 → Z = 2 B + 2Zy = 2 y Z 2  1 B + 4y = 2y√5 B = 2y(√5 – 2) B = 2y (0,236) = 0,472 y

Jika untuk kedua saluran kita misalkan nilai B sama yaitu B=1m, maka Trapesium 1:1 B = 0,828 y 1 = 0,828 y Y = 1,2 m Trapesium 1:2 B = 0,472 y 1 = 0,472 y Y = 3,1 m Jadi yang lebih ekonomis adalah trapesium 1:1

3. Hitung debit aliran melalui lobang dengan lebar 2,0 m dan tinggi 2,0m. Elevasi muka air pada sisi hulu adalah a+3 m di atas sisi atas lobang dan elevasi muka air hilir 1 m di atas sisi bawah lobang. Kofesien debit adalah Cd=0,62. ( a = nim/100) Jawab : Diketahui : H1 = 3,0 + 0,18 m = 3,18 H2 = 3,18 +2,0 = 5,18 m H = 3,18 + 1,0 = 4,18 m

Aliran melalui setengah tinggi lobang bagian atas dapat di tinjau sebagai lobang bebas, sedangkan setengah bagian bawah adalahaliran terendam, sehingga debit aliran adalah : Q = Q1 (bebas) + Q2 (terendam)

Q1 = . Cd . b .√ = . 0,62 . 2 .√

.(

= 10,53 m3/s Q2 = Cd . b . ( H2 – H ).√ = 0,62 . 2 . ( 5,18 – 4,18 ) √ = 11,23 m3/s

Sehingga debit Total adalah : Q = Q1 + Q2 = 10,53 + 11,23

)

–

.(

–

)

= 21,76 m3/s