Hidrolika Saluran Tertutup

HIDROLIKA SALURAN TERTUTUP (WATER HAMMER)

KELOMPOK II R.J Hartanto Sihombing 20170611014060 Diana Bayu Ningtias.P 20170611014026 Sherin Ursulla M Bolang 20170611014074 Fitri Asih 20170611014030 Ilman Yakimi 20170611014014

PEMAHAMAN SALURAN

Saluran adalah sebuah media yang di gunakan untuk mengalirkan fluida. Dalam bidang teknik sipil kata saluran sangat identik dengan irigasi. Irigasi sendiri adalah sebuah upaya atau cara yang di lakukan manusia untuk mengalirkan lahan pertanian. Dalam saluran irigasi saluran dibagi menjadi 2 yaitu :  Saluran Tertutup  Saluran Terbuka

• SALURAN TERTUTUP

Saluran tertutup adalah saluran yang tidak berhubungan langsung dengan udara luar. Contoh saluran tertutup sering kita jumpai pada perkotaan. Seperti pada gorong-gorong di pinggir jalan raya atau pipa-pipa besar di pinggir jalan.

• SALURAN TERBUKA

Saluran terbuka adalah saluran yang permukaan airnya berhubungan langsung dengan udara luar. Saluran terbuka sering kita temui pada area pedesaan. Contohnya pada daerah sungai untuk pengairan irigasi.

PERBEDAAN ALIRAN TERTUTUP DAN ALIRAN TEBUKA

Aliran tertutup adalah aliran yang terjadi akibat adanya perbedaan tekanan. Pada saluran tertutup ( seluruh luasan terisi oleh fluida ). Disini di artikan Aliran tertutup maka saluran yang di gunakan juga tertutup. Contoh dalam kasus ini adalah jaringan pipa air yang ada di rumah kita.

Aliran terbuka adalah aliran yang terjadi akibatnya perbedaan tinggi elevasi muka air pada suatu wilayah akibat pengaruh dari gravitasi.

SALURAN TERTUTUP PERPIPAAN

Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran yang digunakan untuk mengalirkan fluida dengan tampang aliran penuh (Triatmojo 1996 : 25). Perbedaan mendasar antara aliran pada saluran terbuka dan aliran pada pipa adalah adanya permukaan yang bebas yang (hampir selalu) berupa udara pada saluran terbuka. Jadi seandainya pada pipa alirannya tidak penuh sehingga masih ada rongga yang berisi udara maka sifat dan karakteristik alirannya sama dengan aliran pada saluran terbuka (Kodoatie, 2002: 215). Misalnya aliran air pada gorong-gorong. Perbedaan yang lainnya adalah saluran terbuka mempunyai kedalaman air (y), sedangkan pada pipa kedalam air tersebut ditransformasikan berupa (P/y). Oleh karena itu konsep analisis aliran pada pipa harus dalam kondisi pipa terisi penuh dengan air.

Aliran viskos dapat dibedakan menjadi 2 (dua) macam. Apabila pengaruh kekentalan (viskositas) adalah cukup dominan sehingga partikel-partikel zat cair bergerak secara teratur menurut lintasan lurus maka aliran disebut laminar. Aliran laminar terjadi apabila kekentalan besar dan kecepatan aliran kecil. Dengan berkurangnya pengaruh kekentalan atau bertambahnya kecepatan maka aliran akan berubah dari laminar menjadi turbulen. Pada aliran turbulen partikel-partikel zat cairbergerak secara tidak teratur

 Hukum Newton tentang kekentalan zat cair Hukum Newton (dalam Triatmojo 1996 :2) tentang kekentalan menyatakan bahwa tegangan geser antara 2 (dua) partikel zat cair yang berdampingan adalah sebanding dengan perbedaan kecepatan dari kedua partikel (gradien kecepatan) seperti terlihat dalam gambar 2.1 yang berbentuk

 Aliran Laminer dan Turbulen Aliran viskos dapat dibedakan menjadi 2 (dua) tipe yaitu aliran laminer dan tubulen. • Dalam aliran laminer partikel-partikel zat cair bergerak teratur mengikuti lintasan yang saling sejajar. Aliran ini terjadi apabila kecepatan kecil atau kekentalan besar. Pengaruh kekentalan adalah 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 suatu batas tertentu akan menyebabkan terjadinya perubahan aliran dari laminer ke turbulen. • Pada aliran turbulen gerak partikel-partikel zat cair tidak teratur. Aliran ini terjadi apabila kecepatan besar dan kekentalan zat cair kecil.

 Percobaan Osborn Reynolds Pada tahun 1884 Osborn Reynolds (dalam Triatmojo 1996 : 3) melakukan percobaan untuk menunjukan sifat-sifat aliran laminer dan aliran turbulen. Alat yang digunakan terdiri dari pipa kaca yang dapat melewatkan air dengan berbagai kecepatan (gambar 2.2). Aliran tersebut diatur oleh katub A. Pipa kecil B yang berasal dari tabung berisi zat warna C. Ujung yang lain berada pada lobang masuk pipa kaca.

Menurut Reynolds, ada tiga faktor yang mempengaruhi keadaan aliran yaitu kekentalan zat cair μ (mu), rapat masa zat cair ρ (rho), dan diameter pipa D. Hubungan antara μ , ρ , dan D yang mempunyai dimensi sama dengan kecepatan adalah

Reynodls menunjukan bahwa aliran dapat diklasifikasikan berdasarkan suatu angka tertentu. Angka tersebut diturunkan dengan membagi kecepatan aliran didalam pipa dengan nilai , yang disebut dengan angka Reynolds. Angka Reynolds mempunyai bentuk berikut ini

Berdasarkan pada percobaan aliran di dalam pipa, reynolds menetapkan bahwa untuk angka Reynolds dibawah 2000, gangguan aliran dapat diredam oleh kekentalan zat cair, dan aliran pada kondisi tersebut adalah laminer. Aliran akan turbulen apabila angka Reynolds lebih besar dari 4000. Apabila angka Reynolds berada diantara kedua nilai tersebut 2000
 Hukum Tekanan Gesek Reynolds menetapkan hukum tekanan gesek (dalam Triatmojo 1996 : 5). Percobaan yang telah di lakukan memberikan hasil berupa suatu grafik hubungan antara kehilangan energi fh dan kecepatan aliran V. Gambar 2.4 menunjukan kedua hubungan tersebut yang dibuat dalam skala logaritmik untuk diameter tertentu.

Bagian bawah dari grafik merupakan garis lurus, dengan kemiringan 45°, yang menunjukan bahwa fh sebanding dengan V, yang merupakan sifat aliran laminer. Sedang bagian atas merupakan garis lurus dengan kemiringan n, dengan n antara 1,75 dan 2,0 yang tergantung pada nilai Re dan kekasaran.

 Aliran Laminer Dalam Pipa Dalam aliran laminer partikel-partikel zat cair bergerak teratur mengikiuti lintasan yang saling sejajar. Aliran laminer lebih mudah terjadi bila kecepatan aliran relatif kecil sedangkan viskositas cairan besar dan pengaruh kekentalan cukup dominan dibandingkan dengan kecepatan aliran, sehingga partikelpartikel zat cair akan bergerak teratur menurut lintasan lurus (Triatmojo 1996 : 6). Secara matematis aliran laminer akan terjadi bila perbandingan momentum dan gaya viskous ada di bawah 2000, atau yang lebih dikenal dengan bilangan Reynold (Re) < 2000. Bilangan Reynold (Re) dapat ditulis dalam bentuk rumus sebagai berikut: dengan V = kecepata rerata, D = diameter pipa, ν = kekentalan kinematik

Kehilangan energi selama pengaliran melalui pipa diturunkan dengan menggunakan gambar 2.5, kehilangan energi pada pengaliran antara titik 1 dan 2 adalah : Karena V1 = V2, maka : Apabila nilai ΔP dari persamaan diatas, maka akan diperoleh:

disubsitusikan ke dalam bentuk

 Aliran Turbulen dan Tegangan Reynolds. Menurut Reynald V Gilles dalam Bambang Triatmojo (1996 : 58), untuk pipapipa halus dan kasar hukum-hukum tahanan universal dapat diturunkan dari :

dengan : f = faktor gesek 0 τ = tegangan geser pada dinding pipa. ρ = kerapatan air (density) V = kecepatan aliran.

Untuk menentukan tegangan geser yang ditimbulkan oleh turbulensi, dipandang aliran zat cair melalui suatu elemen dengan luas dA (lihat gambar 2.7).

Pada gambar diatas v’ adalah kecepatan tegak lurus dA dan u’ adalah fluktuasi kecepatan atau perbedaan kecepatan pada kedua sisi luasan. Massa zat cair yang melalui luasan dA dalam satu satuan waktu adalah: dengan menggunakan persamaan momentum: atau Tegangan geser τ karena fluktuasi turbulen diperoleh dengan membagi persamaan di atas dengan dA: atau Tegangan geser yang diberikan oleh persamaan (2.6) dikenal sebagai tegangan Reynolds.

 Pipa halus Berdasarkan penelitian yang dilakukan Blasius, dia mengemukakan rumus gesekan f untuk pipa halus dalam bentuk:

Sedangkan percobaan Nikuradse memberikan persamaan yang agak berbeda dengan Blasius. Persamaan tersebut adalah :

 Pipa Kasar Tahanan pada pipa kasar lebih besar dari pada pipa halus, untuk pipa halus nilai f hanya tergantung pada angka Reynolds. Untuk pipa kasar nilai f tidak hanya tergantung angka Reynolds, tetapi juga pada sifat-sifat dinding pipa yaitu kekasaran relatif k/D, atau ) / (Re, D k f φ = dengan k = kekasaran dinding pipa, D = diameter pipa.

SALURAN TERTUTUP BERPENAMPANG LINGKARAN DENGAN ALIRAN PENUH (ALIRAN SALURAN TERTUTUP )

vGeometri saluran tertutup berpenampang lingkaran yang dialiri penuh seperti tampak pada Gambar 4.1(a) adalah :

SALURAN TERTUTUP YANG TIDAK DIALIRI PENUH (ALIRAN SALURAN TERBUKA

Aliran di dalam saluran tertutup yang tidak penuh dikategorikan sebagai aliran saluran terbuka seperti tampak pada Gambar 4.1(b) apabila kedalaman aliran adalah sebesar setengah dari diameter penampang maka :

KONSEP ALIRAN MELALUI PIPA

Ada tiga persamaan dasar dalam Mekanika Fluida dan Hidrolika yang berkaitan dengan pengaliran air dalam pipa yaitu persamaan Kontinuitas, Momentum dan pers. Energi. Untuk aliran mantap dan satu dimensi persamaan energi dapat disederhanakan menjadi persamaan Bernoulli. Ketiga bentuk persamaan tersebut adalah sebagai berikut : 1. Pers. Konstinuitas Q= A1 - V2 = A2-V2 = konstan Dengan : Q : debit aliran A : luas tampang aliran V : kecepatan rerata aliran pada tampang tersebut. Indeks 1 dan 2 menunjukan nomor tampang aliran yang ditinjau.

2. Pers. Momentum

Dengan : F : gaya yang ditimbulkan oleh aliran zat cair : rapat massa aliran 3.Pers. Bernoulli

PERJALANAN GELOMBANG TEKANAN

GAMBAR

PERJALANAN GELOMBANG TEKANAN a.

Gambar (a)

Air di dalam reservoir mengalir ke dalam pipa masih dalam keadaan sempurna dimana kecepatan aliran konstan karena tidak ada perlakuan b.

Gambar (b)

Terjadi penutupan secara tiba-tiba sehingga kecepatan aliran sama dengan nol di daerah dekat katup. Tekanan juga akan bertambah serta gelombang akan dapat menuju reservoir c.

Gambar (c)

Tekanan balik yang terjadi akan terus bertambah memenuhi seluruh pipa sehingga gelombang awal yang terjadi pada pipa bertambah sampai memenuhi pipa dan kecepatan dalam pipa menjadi sama dengan nol Gambar (d) Gelombang yang memenuhi pipa akan bertambah dan kecepatan aliran gelombang tertentu menuju kearah sumbu penutupan dan berakhir pada waktu t = 21/c dan gerakan gelombang balik mengakibatkan adanya aliran yang ditekan menuju reservoir dengan kecepatan. e.

Gambar (e)

Gelombang tersebut akan terus kearah sumbu penutupan sampai batas waktu tertentu sehingga menekan air untuk kembali ke reservoir dengan kecepatan Vo menuju keadaan stabil f.

Gambar ( f )

Gelombang yang telah sampai ke sumber penutupan akan mengalami osilasi kebawah, dimana V = Vo , V = O. Terjadi kembali kearah sekitar sumber penutupan. Hal ini akan berlangsung sampai tekanan air akan mencapai keadaan stabil.

PENERAPAN WATER HAMMER

Aplikasi sistem perpipaan untuk distribusi fluida banyak kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Fenomena water hammer merupakan salah satu parameter yang harus diperhitungkan dalam merancang sebuah sistem perpipaan. Fenomena ini terjadi akibat kenaikan gelombang tekanan ketika aliran dihentikan secara tiba-tiba, dimana gelombang tekanan yang terjadi bisa bernilai positif maupun negatif. Sebagai contoh terdapat pada Pompa Hydraulic ram (Hydram) adalah pompa air dijalankan dengan tenaga air itu sendiri. Pompa ini memanfaatkan “Water hammer effect” untuk menghasilkan tekanan yang memungkinkan sebagian dari air yang masuk memberi tenaga kepada pompa, diangkat ke titik lebih tinggi dibandingkan head awal dari air tersebut.

POMPA HIDRAM

Bagian-bagian utama Pompa hidram ini terdiri dari pipa pemasukan (drive pipe), pipa pengeluaran atau pipa pengantar (delivery pipe), katup limbah (waste valve), katup pengantar (delivery valve), katup udara (air valve) dan ruang udara (air chamber).

GAMBAR POMPA HIDRAM

AKIBAT WATER HAMMER

a.

pompa dan katup dapat pecah karena lonjakan tekanan pada waktu terjadi bentturan air b. pipa dapat kempis karena tekanan negatif (tekanan vakum) yang terjadi didalam pipa belakang pompa atau katup c. jika putaran balik dari pompa tidak dapat dicegah dapat timbul kerusakan akibat putaran air d. Peralatan plambing akan rusak akibat tekanan yang ditimbulkan pukulan air e. Pasangan instalasi akan rusak karena getaran yang diakibatkan pukulan air f. Sambungan-sambungan instalasi akan cepat bocor/rusak

GAMBAR

WATER HAMMER Katup tertutup (air kondisi diam)

Katup terbuka (air bergerak)

Katup menutup (terjadi lonjakan tekanan)

GAMBAR

Pipa PDAM Jebol akibat water hammer

PENCEGAHAN WATER HAMMER

1.

untuk menghindari tekanan negatif dan pemisah kolom zat cair,dapat digunakan tiga cara yaitu pada gaya , laluan fluida dan tangki peredam 2. pencegahan lonjakan tekanan a. penutupan lambat b. pelepasan tekanan. c. Menghindarkan tekanan kerja yang terlalu tinggi d. Menghindarkan kecepatan aliran yang terlalu tinggi e. Menggunakan dua katup bola pelampung pada tangki air f. Memasang alat pencegah pukulan air g. Memasang rongga udara di dalam instalasi

KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat kami ambil dari penjabaran diatas adalah Fenomena water hammer merupakan salah satu parameter yang harus diperhitungkan dalam merancang sebuah sistem perpipaan. Fenomena ini terjadi akibat kenaikan gelombang tekanan ketika aliran dihentikan secara tiba-tiba, dimana gelombang tekanan yang terjadi bisa bernilai positif maupun negatif, sebagai contoh penerapan Water Hammer adalah pada pompa hidram. Selain itu peristiwa Water Hammer juga dapat menyebabkan kerusakan, diantaranya pompa dan katup dapat pecah karena lonjakan tekanan, pipa dapat kempis karena tekanan negatif (tekanan vakum), dan lain-lain.

SEKIAN DAN TERIMA KASIH