FENOMENA OSILASI DALAM TANGKI PENDATAR AKIBAT PERUBAHAN KECEPATAN ALIRAN MENGGUNAKAN PENDEKATAN MODEL FISIK SKALA LABORATORIUM

Transkripsi

1 FENOMENA OSILASI DALAM TANGKI PENDATAR AKIBAT PERUBAHAN KECEPATAN ALIRAN MENGGUNAKAN PENDEKATAN MODEL FISIK SKALA LABORATORIUM Imam Suprayogi', Bochari^, Joleha^, Amril^ ' ^'^ Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Riau, Pekanbaru Teknisi Laboratorium Mekanika Fluida dan Plumbing Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Riau, Pekanbaru drisupravogi@vahoo.com Abstrak Para ilmuwan telah banyak melakukan penelitian dan membuat model tentang fenomena osilasi dalam tangki pendatar. Model yang dikembangkan untuk menyelesaikan permasalahan fenomena osilasi dalam tangki pendatar menggunakan pendekatan model tlsik dan atau model matematika. Metode penelitian yang dipergunakan pada penelitian ini, adalah model tlsik skala laboratorium yang dibuat Armfield.lnc United Kingdom. Tujuan utama dari penelitian adalah melakukan observasi tinggi muka air maksimum pada tangki pendatar akibat perubahan variasi kecepatan aliran berturut-turut 0.98 m/dt,1.404 m/dt dan 2.09 m/dt menggunakan pendekatan model fisik skala laboratorium terhadap metode analitik. Hasil utama penelitian membuktikan bahwa antara model fisik skala laboratorium dan metode analitik terjadi perbedaan yang cukup signifikan guna penetapan tinggi muka air maksimum pada tangki pendatar. Kata Kunci : fenomena osilasi, tinggi muka air maksimum, tangki pendatar, model fisik skala laboraratorium

2 THE PHENOMENA OF OSCHLATION IN SURGE TANK DUE TO VARIOUS FLO W VELOCITY USING PHYSICAL MODELING LABORA TOR Y OF SCALE APPROA CH Abstract Scientists have conducted many research and developed models of oscillation phenomenon in Surge Tank. Most of developed models for oscillation ofphenomenon in surge tank were physical or mathematical. The method that used this research was a physical modeling laboratory of scale approach using surge tank and water hammer apparatus was built by Armfield. Inc United Kingdom. The main purpose of research observation of water level maximum in surge tank should be compared with theoritical values due to various flow velocity respectively 0.98 m/s, m/s and 2.09 m/s. The main of research proved that the result of the model that use physical modeling laboratory of scale approach and analytic method were very difference for water level maximum (ymaximum) in surge tank. Keywords : the phenomena of oscillation, water level maximum, surge tank, physical model laboratory of scale

3 l.pendahuluan Aliran tidak tunak {unsteady flow) pada pipa merupakan persoalan yang penting dalam praktek rekayasa {engineering practice) karena aliran tunak menimbulkan persoalan-persoalan kelebihan tekanan {excessive pressures), getaran, kavitasi dan suara-suara bising yang jauh dari jangkauan analisis aliran tunak (Kodoatie, 2002). Masih dikatakan Kodoatie (2002) pada dasarnya analisis unsteady flow pada pipa dapat dibagi menjadi dua kategori yaitu elatisitas atau water hammer theory dan surge atau rigid water column theory. Teori water hammer berdasarkan asumsi bahwa elatisitas dari fluida dan dinding pipa harus diperhitungkan dalam analisis. Gelombang tekanan terbentuk oleh perubahan kecepatan karena sifat elastis dan berkembang ke seluruh sistim pipa. Teori ini lebih mencerminkan keakuratan dari sifat-sifat sistem aliran tidak tunak. Sedangkan teori surge didasarkan atas asumsi bahwa fluida adalah tidak elastis {complete incompressible) dan mengalir melalui pipa sangat kaku. Kondisi ini menyebabkan tidak akan terjadi water hammer, namun tetap akan ada perubahan tekanan untuk mengubah laju aliran air. Asumsi ini akan valid bilamana gerakan katup penutup lambat dan pipa sangat pendek. Hal ini akan mengakibatkan tekanan berubah seketika di seluruh sistim yang ada. Dalam perencanaan pipa pembawa air dari suatu reservoir ke turbin pada pembangkit listrik air harus dipertimbangkan terhadap kondisi-kondisi khusus, terutama apabila sistem pipa pembawa air panjang. Dikatakan Tulis (1989) banyak penyebab yang dapat menimbulkan aliran dalam pipa menjadi aliran transien antara lain perubahan pada bukaan katup, pengoperasian dan pemberhentian operasi pompa, operasi fasilitas-fasilitas dalam sistem pipa seperti katup periksa, katup pembuang udara, katup pengurangan tekanan, pecahnya pipa dan perubahan kebutuhan beban dalam turbin hidrolik. Menurut Sangkawati (2005) bahwa pusat pembangkit listrik harus selalu disesuaikan dengan pemakaian listrik oleh konsumen. Oleh karenanya apabila terjadi keadaan dimana pemakaian listrik tiba-tiba padam (nol), maka kebutuhan air juga akan menjadi nol. Di dalam pipa pesat terdapat inersia, air masih tetap mengalir, sehingga permukaan air di dalam tangki peredam naik lebih tinggi daripada ketinggian permukaan

4 air pada kondisi seimbang. Kemudian memanfaatkan keunggulan spesifik dari permukaan air turun sampai lebih rendah daripada permukaan air dalam keadaan seimbang, selanjutnya naik lagi, turun dan seterusnya sehingga pada suatu saat terdapat keadaan seimbang, dan permukaan air di dalam tangki pendatar diam. Di dunia teknik sipil model yang lazim dipergunakan sebagai alat bantu analisa adalah model fisik dan model matematik. Dikatakan Legowo (1998), pada model fisik, peniruan geometri dan fenomena fisik obyek yang akan dimodelkan dilakukan dengan cara membuat miniatur atau pengecilan ukuran menggunakan skala tertentu bagi fenomena yang akan diamati atau berpengaruh dominan pada proses yang model fisik tersebut di atas, maka pada penelitian ini menitikberatkan fenomena osilasi akibat tangki pendatar (surge tank) menggunakan pendekatan model fisik skala laboratorium yang hasilnya akan dibandingkan demgan metode analitik. 2. LANDASAN TEORI Dasar Teori Osilasi Dalam Tangki Pendatar Sederhana Analisa Friksi Dari Tangki Pendatar Sederhana Prinsip dasar dari tangki pendatar dijelaskan pada Gambar 1 seperti di bawah ini : (tan^ftntor) diamati. Hasil pengamatan dan pengukuran LiviArSbns ' Rsemr pada model ini kemudian diterjemahkan untuk memperoleh gambaran mengenai besaran-besaran yang sesungguhnya terjadi atau akan terjadi pada prototip. Masih dikatakan Legowo (1998), dalam model uji hidrolik, keunggulan model fisik dapat memberikan informasi lebih rinci pada titik-titik pusat perhatian pada pandangan tiga dimensi, disamping itu model fisik dapat mempresentasikan fenomena-fenomena yang belum pasti diketahui perumusannya. Dengan Gambar 1. Tangki Pendatar Sederhana Dengan a adalah penampang melintang dari pipa dalam m^, A adalah penampang melintang dari tangki pendatar dalam m^, u adalah kecepatan pipa dalam m/dt, y adalah posisi tangki pendatar di atas posisi reservoir

5 dalam m, q adalah debit melalui kran air m /dt dan adalah posisi tangki pendatar dt (naik atau turun terhadap kecepatan) m. dalam Penerapan Hukum Newton Kedua untuk pergerakan air adalah hasil perkallan antara massa dan percepatan akan sama dengan gaya akibat perbedaan tekanan ditambah komponen dari berat air dikurangi Rumus secara umum dapat di tulis h, =./'(v") dan q = f(t) atau q = f(y) Penyederhanaan dilakukan jika nilai q = 0 (aliran melalui pipa adalah nol) dan jika kehilangan gesek diabaikan ff = 0 maka perumusan pada persamaan (3) akan menjadi : g a dt - gaya akibat gesekan dari pipa. p.a.l.^= p.a.g.h^ - p.a.g.{h^ + y) + dt p.a.g.l.s'm 0 - p.a.g.h^ dt" LA ~ dan periode osilasi Jika 9 adalah kecil kemudian dan H,^H,+K L du, ^. +y + hf=q g dt ' ' I.sin(9^K Untuk mendapatkan amplitudo maksimum y didapat dari u = y. co dimana u adalah orbital kecepatan dengan kasus Dengan pipa /z^ adalah kehilangan tinggi dari Untuk kontinyu aliran dalam pipa adalah penjumlahan antara aliran dari tangki pendatar ditambah aliran yang melalui kran. a.v = A.^ + q (1) dt A dy q atau v=.-^ + ^ (2) a dt a Subtitusikan untuk u dari persamaan (2) ke M = -^^dimana UQ adalah kecepatan pipa A kondisi tunak. 14 aun CO ^sa^ LA maka maksimum amplitudo (4) persamaan (1) k A. g dt a dt a + y+ A, =0 (3)

6 3.METODOLOGI PENELITIAN Metode penelitian disusun berdasarkan latar belakang penelitian, identifikasi masalah, perumusan masalah serta tujuan utama dari penelitian. Lokasi dan Waktu Penelitian Dengan a adalah penampang melintang dari pipa seluas x 10"^ m', A adalah penampang melintang dari tangki pendatar seluas x 10"^ m" dan L adalah panjang dari pipa dengan panjang 3.0 m. Perlengkapan alat pendukung yang lain adalah stop watch untuk menetapkan waktu Lokasi penelitian dilakukan di Laboratorium Mekanika Fluida dan untuk berbagai volume air tank. di volumetric Plumbing Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Riau, Pekanbaru. Waktu penelitian dilaksanakan pada pada tanggal 1-20 Agustus 2012 Alat - Alat Penunjang Kegiatan Alat penelitian menggunakan alat pipa pendatar dan palu air (pipe surge and water hammer apparatus) buatan Armfield Inc, Amerika Tahun Alat tersebut disajikan pada Gambar 2 di bawah ini: Pengumpulan Data Pengumpulan data untuk kebutuhan penelitian yang berjudul Fenomena Osilasi Dalam Tangki Pendatar (Surge Tank) Menggunakan Pendekatan Model Fisik Skala Laboratorium adalah data primer pengukuran tinggi air dalam tangki pendatar (surge tank) di atas statik (reservoir) (y) dalam mm sebagai fungsi waktu t (dt). 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Bersumber dari hasil penelitian di laboratorium menggunakan alat pipa pendatar (pipe surge apparatus) dapat disajikan seperti pada Tabel 1 seperti di bawah ini. Gambar 2. Alat Pipa Pendatar (Surge Tank Apparatus)

7 Tabel 1. Hasil Pengukuran Waktu Rata-rata (t) untuk Kondisi Volume Air Konstan Menggunakan Alat Bantu Hydraulic Bench Tabel 2. Hasil Perhitungan Kecepatan Aliran pada Pipa Untuk Berbagai Variasi Perubahan Waktu Rerata Pada Kondisi Debit Air Konstan No Volume Air (It) Waktu Pengukuran li (raenit) Waklu Pengukuran t2 (menu) Waktu Pengukuran t,;(menit) Waktu Pengukuran Rata-rala (menit) No Volume Air Waktu (dtk) Laju Debit (nrvdtk) Kec Aliran (m/dt) , , , ,50 O , Sumber : Hasil Perhitungan Sumber: Hasil Pengukuran di Laboratorium Masih bersumber dari Tabel. I di atas, selanjutnya dilakukan perhitungan dengan cara menghitung kecepatan aliran dalam pipa yang terjadi dengan menggunakan rumus yang disajikan seperti di bawah ini: q = maka «= = = / a a a.t Dengan Q adalah laju debit dalam mvdt, V adalah volume air dalam tangki volumetrik selama periode waktu t dalam It dan t adalah periode waktu dalam dt dan a adalah penampang melintang dari pipa dalam m^ yang nilainya a adalah sebesar x10'^ m^. Hasil perhitungan selengkapnya nilai kecepatan aliran pada pipa untuk kondisi nilai debit air konstan sebesar 20 liter disajikan seperti pada Tabel 2 dan Gambar 1 di bawah ini. Sumber : Dokumentasi Hasil Penelitian Gambar 1. Pengukuran Volume Air Sebagai Fungsi Perubahan Waktu Menggunakan Alat Bantu Hydraulic Bench Penetapan Ketinggian Muka Air Maksimum Pada Surge Tank Menggunakan Alat Bantu Pipa Pendatar Masih bersumber dari Tabel 2 di atas, hasil perhitungan variasi kecepatan aliran pada pipa pendatar sebagai fungsi perubahan waktu rerata untuk kondisi volume air konstan menghasilkan nilai

8 kecepatan aliran ui : m/dt, U2 : m/dt dan U3 : 2.09 m/dt. Pola hubungan antara ketinggian muka air dalam surge shaft (y) sebagai fungsi waktu hasil selengkapnya disajikan seperti pada Gambar 2, Gambar 3, Gambar 4 dan Gambar 5 seperti di bawah ini. I MO r: ; =;j : Sumber: Hasil Pengamatan di Laboratorium Gambar 4. Grafik pola Hubungan Antara Perubahan Muka Air Terhadap Perubahan Waktu di Siwge Shaft Untuk Kecepatan Aliran Dalam Pipa sebesar m/dt ^ 1.73 A*^ i I -,,3 : / - ; : - f ; i Sumber : Dokumentasi Hasil Penelitian Gambar 2. Pembacaan Perubahan Muka Air Sebagai Fungsi Waktu di Surge Shaft Untuk Berbagai Variasi Kecepatan Aliran 1.60 ; I l.'l : i I J i : -S 1-0 i!! - V i ir- i \ I 1,-0 :..:,;,:..,., ;,: \ i 0 50 IOC 15G i -*-Ptrubihan Muki Ail ;, im. Pciubihiii V.'aktu i (dl) Sumber: Hasil Pengamatan di Laboratorium Gambar 5. Grafik pola Hubungan Antara Perubahan Muka Air Terhadap Perubahan Waktu di Surge Shaft Untuk Kecepatan Aliran Dalam Pipa sebesar m/dt Intepretasi hasil pengamatan grafik pola hubungan antara perubahan muka air 1«' "Perubahan Muka Air y (m) Perubahan Waklu l (dt) Sumber : Hasil Pengamatan di Laboratorium Gambar 3. Grafik Pola Hubungan Antara Perubahan Muka Air terhadap Perubahan Waktu di Surge Shaft Untuk Kecepatan Aliran Dalam Pipa sebesar m/dt terhadap perubahan waktu menggunakan pendekatan model fisik skala laboratorium yang disajikan pada Gambar 3, Gambar 4 dan Gambar 5 di atas, dengan memberikan perlakuan pengamatan di setiap kenaikan 10 detik untuk rentang waktu 60 detik pada Surge Shaft untuk berbagai variasi kecepatan aliran dalam pipa sebesar 0.904

9 m/dt, m/dt dan 2.09 m/dt hasil X 10'^ m"^, panjang dari pipa dengan menunjukkan bahwa tinggi muka air panjang (L) adalah 3.0 m, Gaya gravitasi maksimum (ymaks) berturut - turut adalah m, 1.73 m dan m. bumi (g) sebesar 9.8 m/dv dan kecepatan aliran (u) berturut - turut U : m/dt, Masih bersumber intepretasi hasil U2 : m/dt dan U3 : 2.09 m/dt. pengamatan grafik pola hubungan antara Adapun langkah selanjutnya dilakukan perubahan muka air terhadap perubahan perhitungan tinggi muka air maksimum pada waktu menggunakan pendekatan model fisik tangki pendatar untuk variasi kecepatan skala laboratorium yang disajikan pada aliran ui : m/dt, U2 : m/dt dan Gambar 3, Gambar 4 dan Gambar 5 di atas, dengan memberikan perlakuan pengamatan di setiap kenaikan 10 detik untuk rentang waktu 60 detik pada Surge Shaft untuk berbagai variasi kecepatan aliran dalam pipa sebesar m/dt, m/dt dan 2.09 m/dt waktu yang dibutuhkan untuk mencapai puncak tinggi muka air U3: 2.09 m/dt menggunakan pendekatan analitik yang hasil selengkapnya disajikan seperti di bawah ini: Tinggi muka air maksimum pada tangki pendatar untuk kecepatan aliran m/dt [LA I 3.( ) >^, *.s, =",-/ =0.904.' 9.8.( ) ^ ^ maksimum (ymaks) berturut - turut adalah 240 dt, 90 dt dan 30 dt. 1A = 1.2 m Pencocokan Hasil Analisa Kajian Antara Metode Analitik Dengan Program Bantu Model Fisik Skala Laboratorium Bersumber dari rumus empiris yang didiskripsikan pada persamaan 4 tersebut di Tinggi Muka Air Maksimum pada tangki pendatar untuk kecepatan aliran m/dt LA ga = ( ) ^9.8.( ) atas, maka dapat dilakukan analisa tinggi muka air maksimum pada tangki pendatar (Surge Tank) dengan data - data pendukung \ga adalah penampang melintang dari pipa (a) seluas x 10"^ m^, penampang melintang dari tangki pendatar (A) seluas

10 Tinggi Muka Air Maksimum pada tangki pendatar untuk kecepatan aliran 2.09 m/dt 5. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian tentang maksz = U LA = 2.09 I 3.( i]~ '9.8.( ) kajian Fenomena Osilasi Dalam Tangki Pendatar (Surge Tank) Akibat Perubahan Variasi Kecepatan Aliran Menggunakan LA = 2.52 m Pendekatan Model Fisik Skala Laboratorium menghasilkan beberapa Setelah didapat nilai tinggi muka air maksimum pada tangki pendatar (Surge Tank) y^aksi, ymaks2 dan ymaks3 berturut-turut 1.20 m, 1.59 m dan 2.52 m selanjutnya dilakukan studi komparasi dengan hasil pengamatan menggunakan pendekatan model fisik skala laboratorium yang hasil selengkapnya disajikan seperti pada Gambar 6 di bawah ini kesimpulan sebagai berikut: 1. Hasil pengujian tinggi muka air maksimum untuk berbagai variasi kecepatan aliran untuk volume air konstan menggunakan pendekatan model fisik skala laboratorium maka akan diperoleh nilai y^aksi, ymaks2 dan ymaks3 berturut-turut adalah m, 1.73 m dan m sedangkan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai tinggi muka air maksimum (ymaks) berturut ~ turut Tinggi Muka Ail.Maksimum Modd (m) >^ Unggi Muka Air Mabimum Analitik (m) adalah 240 dt, 140dtdan 120dt. 2. Hasil analisa tinggi muka air maksimum untuk menggunakan pendekatan analitik untuk berbagai variasi kecepatan aliran untuk volume air konstan maka akan Gambar 6. Hasil Perbandingan Perhitungan Muka Air Maksimum Pada Surge Tank Untuk Berbagai Variasi Perubahan Waktu Rerata Pada Kondisi Volume Air Konstan Menggunakan Metode Analitik dan Model Fisik Skala Laboratorium diperoleh nilai y^aksi, Ymakss dan ymaks3 bcrturut-turut adalah 1.20 m, 1.59 m dan 2.52 m

11 3. Hasil pencocokan tinggi muka air maksimum pada tangki pendatar antara model fisik skala laboratorium dan metode analitik untuk berbagai variasi kecepatan aliran untuk volume air konstan maka diperoleh nilai perbedaan tinggi muka air maksimum berturut-turut ymaksi, ymaks2 dan y^akss yang cukup signifikan UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. Syaiful Bahri, MSi selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Riau yang telah berkenan memberikan penilaian serta rekomendasi hasil penelitian untuk dimungkinkannya artikel jurnal terbit, Prof Dr. Ir Usman M Tang, MS selaku Ketua Lembaga Penelitian Universitas Riau yang telah berkenan memberi bantuan dana penelitian melalui dana PNBP Universitas Riau Tahun 2012 untuk Kategori Penelitian Basis Laboratorium dan tak lupa kepada Ketua Laboratorium Mekanika Fluida dan Plumbing Jurusan Teknik Sipil Fakultas DAFTAR PUSTAKA Anonim Instructional Mannual Pipe Surge and Water Hammer Apparatus. USA : Armfield Inc. Dandekar, M.M dan Sharma, K.K Pembangkit Listrik Tenaga Air. Jakarta : Universitas Indonesia. Kodoatie. R Hidrolika Terapan Aliran Pada Saluran Terbuka dan Pipa. Jogyakarta : Penerbit ANDI. Patty. O. P Tenaga Air. Jakarta : Penerbit Erlangga. Sangkawati, S Osilasi Dalam Tangki Pendatar (Surge Tank) Akibat Penutupan Turbin Secara Mendadak. Jurnal Media Komunikasi Teknik Sipil Volume 13, Nomor 2, Edisi XXXll Juni2005, Semarang. Suryadi Pengenalan Analisa Dengan Model Matematik Pada Masalah Air. Jurnal Penelitian dan Pengembangan Pengairan No.2 Tahun, 1-KW.II. Tulis, P.J Hydraulics of Pipeline, New York John Wiley & Son. Legowo, S Pengkajian Pendangkalan Muara Sungai Di Pantai Utara Pulau Jawa Baral dan Rekayasa Pemecahannya. Bandung : Laporan Akhir Riset Unggulan Terpadu (RUT III/3) Lembaga Penelitian Institut Teknologi Bandung (ITB). Teknik Universitas Riau yang telah berkenan memberi ijin penggunaan Surge Tank and Water Hammer Apparatus untuk keperluan pengambilan data primer.