KAJIAN DISTRIBUSI INTENSITAS TURBULEN PADA SALURAN MENIKUNG 120 DENGAN ACOUSTIC DOPPLER VELOCIMETER

Transkripsi

1 KAJIAN DISTRIBUSI INTENSITAS TURBULEN PADA SALURAN MENIKUNG 120 DENGAN ACOUSTIC DOPPLER VELOCIMETER (ADV) Alief Nur Afrizal 1, Sumiadi 2, M. Janu Ismoyo 2 1 Mahasiswa Jurusan Teknik Pengairan, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya 2 Dosen Jurusan Teknik Pengairan, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya aliefnurafrizal@gmail.com ABSTRAK Analisa aliran pada saluran terbuka lebih kompleks dari pada analisa aliran pada saluran tertutup karena berhadapan langsung dengan udara luar. Apabila pada saluran terdapat aliran turbulen, maka besar kemungkinan akan terjadi kavitasi maupun gerusan. Penelitian ini menggunakan flume atau saluran berupa dasar fix bed yang berbentuk penampang persegi dengan lebar (B) = 50 cm, tinggi (H)= 50 cm, dengan sudut pada belokan sebesar R = 120 o dan jari-jari r = 100 cm. Sedangkan saluran lurus sebelum belokan sepanjang 300 cm dan saluran setelah belokan sepanjang 200 cm. Dinding dan dasar saluran terbuat dari campuran pasir dan semen yang diaci dan dilapisi dengan cat tembok. Alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan adalah Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) yang menggunakan prinsip kerja berdasarkan hukum Fisika Doppler. Hasil dari alat ADV berupa kecepatan sesaat yang merupakan data untuk melakukan perhitungan intensitas turbulen pada penelitian. Berdasarkan hasil penelitian pada section C0 nilai intensitas turbulen tangensial lebih besar dari nilai intensitas turbulen radial. Namun ketika melewati belokan section C60 nilai intensitas turbulen radial lebih besar dari nilai intensitas turbulen tangensial. Nilai intensitas turbulen radial mengalami peningkatan sebesar 45,29%. Kemudian ketika melewati belokan section C120 intensitas turbulen kembali mengalami peningkatan sebesar 45,03%. Energi kinetik turbulen maksimum cenderung berada pada sisi tengah saluran. Distribusi intensitas turbulen sisi dalam (R80) selalu lebih besar dari sisi luar (R120). Dengan nilai rerata sisi dalam (R80) sebesar 3,4502 cm/s dan sisi luar (R120) sebesar 2,8356 cm/s. Belokan pada saluran dapat mempengaruhi distribusi intensitas turbulen maupun energi kinetik turbulen aliran. Terlihat pada penelitian kali ini intensitas turbulen maupun energi kinetik turbulen mengalami fluktuatif ketika aliran melewati belokan. Kata kunci: intensitas turbulen, energi kinetik turbulen, saluran terbuka, ADV, belokan saluran ABSTRACT Analysis of flow in open channel is more complex than on the analysis of flow in closed channel because face to face with the outside air. If the channel there is a turbulent flow, then likely will occur cavitation or scour. This study uses a flume or channel form the basis of a fixed bed in the form of a square cross-section with a width (B) = 50 cm, height (H) = 50 cm, with the angle of the branch of R = 120o and radius r = 100 cm. While the channel is straight before the bend along the 300 cm and channels after the turn along the 200 cm. Walls and floor of the channel is made of a mixture of sand and cement and coated with paint. The tools used to measure the speed is Acoustic Doppler velocimeter (ADV), which uses the working principle is based of Physics Doppler. The results of the tool ADV form of instantaneous speed is the data for calculating the turbulent intensity on research. Based on the results of research on the section C0 tangential turbulent intensity value is greater than the radial turbulence intensity. However, when passing through the bend section C60 radial turbulent intensity value is greater than the value of the tangential turbulence intensity. Radial turbulence intensity values increased by 45.29%. Then when passing through the bend section C120 turbulent intensity back an increase of 45.03%. The maximum turbulent kinetic energy tends to be in the middle of the channel. Turbulent intensity distribution in the side (R80) is always greater than the outer side (R120). With the average value of the inner side (R80) of cm / s and the outer side (R120) of cm / s. Bends in the channel will affect the turbulence intensity distribution and turbulent kinetic energy. This study looks at the turbulent intensity and the turbulent kinetic energy when experiencing fluctuating flows through turns. Keywords: turbulence intensity, turbulent kinetic energy, open channel, ADV, turn the channel

2 1. PENDAHULUAN Aliran air pada saluran terbuka berhadapan langsung dengan udara. Oleh karena itu analisa aliran pada saluran terbuka lebih kompleks dari pada analisa aliran pada saluran tertutup. Ada kalanya saluran terbuka ini terdapat tikungan. Dengan menikungnya saluran terbuka maka akan lebih kompleks lagi untuk menganalisa saluran tersebut. ADV merupakan alat ukur kecepatan aliran yang cara kerjanya menggunakan hukum fisika Efek Doppler. Transmitter dan receiver pada probe ADV merupakan dua syarat yang berkerja dalam prinsip Efek Doppler. Transmitter merupakan bagian dari ADV yang berfungsi mengeluarkan gelombang dengan frukuensi tertentu kemudian dipantulkan dan ditangkap oleh receiver. Aliran turbulen merupakan aliran dimana gaya kekentalan (viscosity) lebih kecil dari gaya kelembaman (inertial force) sehingga aliran tidak beraturan dan bergerak keluar dari lintasannya. Apabila pada saluran terdapat aliran turbulen, maka besar kemungkinan akan terjadi kavitasi maupun gerusan. Karena aliran pada saluran menikung cukup kompleks, selain itu masih sedikitnya penelitian tentang saluran menikung pada jenjang S1 maka dibutuhkan penelitian pada saluran menikung khususnya menganalisa intensitas turbulen menggunakan Acoustic Doppler Velocimeter (ADV). 2. TINJAUAN PUSTAKA Persamaan Navier-Stokes Persamaan pada dinamika fluida yang berlaku untuk aliran laminar incompressible yaitu Persamaan Navier- Stokes arah sumbu x,y, dan z yang terdiri dari persamaan kontinuitas (Istiarto, 2001:3) u + v + w = 0 x y z Dimana: u, v, dan w : kecepatan sesaat aliran arah sumbu x, y, dan z. x, y, dan z : nilai koordinat arah longitudinal, radial, dan vertikal. Gambar 1. Sistem koordinat Cartesian aliran fluida 3D Sumber: Przedwojski, B. Blazejewski, R. Pilarczyk, K. W. (1995:34) Mencari Jenis Hidrolik Aliran Besarnya ks dari berbagai tipe kekasaran dasar telah banyak ditetapkan dari berbagai eksperimen. Tabel 2.1 menunjukkan nilai-nilai ks untuk berbagai jenis material penyusun saluran: Tabel 1. Nilai tinggi kekasaran (ks) Sumber: Raju (1986:24) Untuk mencari nilai kekasaran yang tepat, maka nilai n dan ks dapat dicari dengan menyamakan nilai dari per- samaanpersamaan Chezy. Intensitas Turbulen Aliran turbulen terjadi apabila gayagaya kelembaman relatif sangat besar dibandingkan dengan gaya kekentalan sehingga aliran dikuasai oleh gaya inersia.dalam tipe aliran ini partikelpartikel cairan bergerak pada lintasanlintasan yang tidak teratur atau pada lintasan sembarang (Anggrahini, 2005:6). Aliran turbulen merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi karakter dan intensitas dari proses sungai seperti erosi, sedimentasi, perlawanan arus, berhentinya bentuk sungai pada saluran alami. Intensitas turbulen dapat dihitung berdasarkan nilai kecepatan sesaat dan

3 kecepatan rerata, maka intensitas turbulen tangensial, radial dan vertikal dapat dihitung dengan persamaan: C.Hi2. Saluran terdiri dari bagian-bagian sebagai berikut: v θ = (vθ ) )(v θ θ v θ v r = (vr ) v r )(v θ v r v z = (vz ) v z )(v z v z Dengan: v θ : intensitas turbulen tangensial (m/s) v r : intensitas turbulen radial (m/s) v z : intensitas turbulen vertikal (m/s) v i : kecepatan sesaat (m/s) Energi Kinetik Turbulen Dalam dinamika fluida, energi kinetik turbulen adalah energi kinetik rata-rata per satuan massa. Secara umum, energi kinetik turbulen merupakan rata-rata dari tegangan normal arah tangensial, radial dan vertikal. Secara fisik, energi kinetik turbulen diperoleh dengan menghitung root-mean-square (RMS) dari fluktuasi kecepatan (Blanckaert, 2001) k = 1 2 (v θ 2 + v r 2 + v ) z 2 Dimana: v θ : fluktuasi kecepatan tangensial (m/s) v r : fluktuasi kecepatan radial (m/s) v z : fluktuasi kecepatan vertikal (m/s) k : energi kinetik turbulen 3. METODE PENELITIAN Alat dan Instrumentasi Penelitian Lokasi penelitian dilakukan di Laboratorium Hidrolika Terapan Jurusan Teknik Pengairan Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang. Penelitian dilakukan pada saluran dengan penampang persegi berupa dasar fix bed yang memiliki sudut belokan θ = 120 o dengan Q = 20 lt/dt dan kemiringan S = 0,00019 dan B = 0,5 m. Saluran terdiri dari 7 cross section pengambilan data yaitu C.Hu1, C.Hu2, C0, C60, C120, C.Hi1, dan Gambar 2. Layout penelitian Gambar 3. Belokan 120 layout penelitian Saluran menikung bagian hulu (first curved channel) dengan θ = 65 o dan radius tengah belokan, rc = 0,86 m Saluran lurus (straight channel) sepanjang 3 m Saluran menikung utama (second curved channel) dengan θ = 120 o dan rc = 1 m Saluran hilir (downstream channel) sepanjang 2 m

4 Instrumen Penelitian: Alat ukur debit (Rechbox) Pintu pengatur muka air (tail gate) Pompa Alat pengukur tinggi muka air (point gauge) Alat Pengukur Kecepatan Aliran (ADV tipe 10-MHz ADV Probe). Pada alat ADV terdapat transmitter yang memancarkan gelombang bunyi dengan frekuensi tertentu mengenai sampling volume yang kemudian dipantulkan kembali dan ditangkap oleh receiver. Sampling volume merupakan volume di titik ketika alat mengukur kecepatan. Alat ini mengukur kecepatan aliran suatu volume air (sampling volume) berukuran kurang lebih 0,3 cm 3 berada 5 cm dari ujung transmitter. Kecepatan aliran tiga dimensi (X,Y,Z) yang diukur oleh ADV tergantung oleh: Velocity Range, Signal to Noise Ratio (SNR), dan koefisien korelasi. 4. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Pengukuran Pendahuluan Pengukuran kecepatan menggunakan ADV dilakukan pada debit konstan 20 lt/dt dimana pemilihan debit ini mempertimbangkan keadaan aliran dan kualitas data. Penelitian ini menggunakan Sampling Rate 25 Hz dan Velocity Range 100 cm/dt dengan SNR>15 dan koefisien korelasi > 70%. Pengukuran pendahuluan ini juga dilakukan untuk menentukan banyaknya data atau durasi waktu pengambilan data di setiap titiknya berdasarkan nilai kecepatan rerata yang relatif stabil. Pengambilan data dilakukan pada section 0 o pada z = 4,4 cm dengan total pengambilan data sebanyak data atau pengukuran selama 10 menit. Hasil pengukuran pendahuluan dapat dilihat pada gambar berikut ini: Gambar MHz ADV Probe Sumber: ADVField/Hydra Operation Manual (2001:4) Gambar 6. Fluktuasi kecepatan longitudinal rerata Dari hasil penelitian pendahuluan (initial measurement) dapat dilihat pada pengambilan sebanyak 5000 data atau selama 3,33 menit nilai fluktuasi kecepatan sudah relatif stabil. Selain itu, didapatkan juga parameter hidraulik aliran untuk penelitian di belokan saluran dengan sudut 120 o sebagai berikut: Gambar 5. Titik Pengukuran pada satu Cross Section

5 Tabel 2. Parameter hidrolik rerata pada hulu Dari data tersebut diperoleh jenis aliran adalah turbulen-subkritis dengan Chezy = 53,79 m 1/2 /dt dan merupakan jenis hidrolik transisi dengan nilai ks = 1,24 mm dan n = 0,0127. Distribusi Intensitas Turbulen karena itu section 0 bukanlah murni section hasil aliran saluran lurus. Nilai intensitas turbulen tangensial maksimum didominasi pada R100 yaitu sebesar 4,482 cm/s dan nilai minimum terjadi pada R120 yaitu sebesar 3,555 cm/s. Nilai intensitas turbulen radial maksimum didominasi pada R100 yaitu sebesar 3,325 cm/s dan nilai minimum terjadi pada R80 yaitu sebesar 2,304 cm/s. Nilai intensitas turbulen vertikal maksimum didominasi pada R100 yaitu sebesar 3,036 cm/s dan nilai minimum terjadi pada R120 yaitu sebesar 2,205 cm/s. Gambar 7. Distribusi intensitas turbulen section C0 Section 0 masih dipengaruhi oleh belokan sebelum saluran lurus yaitu adanya aliran sekunder pada belokan sebelumnya pada daerah hulu sebesar 65 o dan rc = 86 cm dengan rc/b = 1,72 yang juga merupakan belokan tajam. Oleh Gambar 8. Distribusi intensitas turbulen section C60 Pada sudut 60 (C60) merupakan section dimana terjadi belokan maksimum dan merupakan titik-titik depresi maksimum pada belokan 120. Dari section C60 kita dapat melihat bagaimana

6 keadaan aliran khususnya intensitas turbulen yang terjadi akibat dari belokan maksimum sebelum dilanjutkan ke section 120 kemudian kembali ke saluran lurus. Meskipun teori nilai kecepatan bagian dalam saluran adalah nilai maksimum namun tidak sama halnya dengan nilai intensitas turbulen. Pada section 60 menunjukkan bahwa nilai intensitas pada sisi tengah (R100) merupakan titik maksimum terjadinya intensitas turbulen tangensial, radial, dan vertikal. Nilai intensitas turbulen tangensial maksimum didominasi pada R100 yaitu sebesar 4,510 cm/s dan nilai minimum terjadi pada R120 yaitu sebesar 3,476 cm/s. Nilai intensitas turbulen radial maksimum didominasi pada R100 yaitu sebesar 4,859 cm/s dan nilai minimum terjadi pada R120 yaitu sebesar 3,632 cm/s. Nilai intensitas turbulen vertikal maksimum didominasi pada R100 yaitu sebesar 3,605 cm/s dan nilai minimum terjadi pada R80 yaitu sebesar 2,649 cm/s. Sudut 120 (C120) merupakan section ujung dari belokan 120. Dari C120 kita dapat mengamati perbedaan khususnya intensitas turbulen dimana C120 merupakan ujung dari titik depresi belokan. Dari C120 kita juga dapat mengamati fase perubahan aliran akibat berubahnya bentuk saluran dari saluran menikung menuju saluran lurus. Nilai intensitas turbulen tangensial maksimum didominasi pada R80 yaitu sebesar 3,884 cm/s dan nilai minimum terjadi pada R120 yaitu sebesar 2,888 cm/s. Nilai intensitas turbulen radial maksimum didominasi pada R100 yaitu sebesar 4,285 cm/s dan nilai minimum terjadi pada R80 yaitu sebesar 2,858 cm/s. Nilai intensitas turbulen vertikal maksimum didominasi pada R80 yaitu sebesar 3,811 cm/s dan nilai minimum terjadi pada R120 yaitu sebesar 2,721 cm/s. Perbandingan Distribusi Intensitas Turbulen Sisi Luar dan sisi Dalam Gambar 9. Distribusi intensitas turbulen section C120 Gambar 10. Perbandingan distribusi intensitas turbulen sisi luar dan sisi dalam section C0

7 Nilai intensitas turbulen tangensial pada sisi dalam (R80) cenderung lebih besar berkisar antara 3,257 cm/s hingga 4,324 cm/s. ini terjadi karena sesuai pada karakteristik aliran pada saluran menikung akan dipercepat pada bagian dalam belokan sehingga nilai turbulen bagian dalam juga tinggi. Intensitas turbulen radial pada sisi luar (R120) cenderung lebih besar dengan nilai berkisar antara 2,138 cm/s hingga 2,410 cm/s. Dari grafik dapat disimpulkan bahwa nilai intensitas turbulen sisi dalam (R80) mengalami peningkatan ketika nilai z/h semakin rendah. Sebaliknya nilai intensitas turbulen sisi luar (R120) mengalami penurunan ketika nilai z/h semakin rendah. Nilai intensitas turbulen vertical R80 berkisar antara 1,052 cm/s hingga 2,205 cm/s dan R120 berkisar antara 0,991 cm/s hingga 2,484 cm/s. Gambar 11. Perbandingan distribusi intensitas turbulen sisi luar dan sisi dalam section C60 Nilai intensitas turbulen tangensial pada sisi dalam (R80) cenderung lebih besar. Semakin rendah nilai z/h semakin mengalami kecenderungan meningkat pula intensitas turbulennya. Sisi dalam belokan merupakan lintasan kecepatan maju maksimum dan titik depresi belokan sesuai dengan Ven Te Chow, 1997: 440. Nilai C60 tangensial sisi dalam (R80) berkisar antara 3,188 cm/s hingga 4,337 cm/s dan sisi luar (R120) berkisar antara 2,781 cm/s hingga 3,476 cm/s. Hampir semua nilai intensitas turbulen radial pada sisi luar (R120) lebih besar dari nilai intensitas turbulen sisi dalam (R80). Dengan nilai C60 R80 berkisar antara 1,921 hingga 4,241 cm/s dan C60 R120 berkisar antara 2,478 cm/s hingga 3,632 cm/s. Semua nilai intensitas turbulen radial pada sisi luar (R120) lebih besar dari nilai intensitas turbulen sisi dalam (R80). Nilai intensitas turbulen vertikal R80 berkisar antara 1,127 cm/s hingga 2,649 cm/s dan R120 antara 0,169 cm/s hingga 3,202 cm/s.

8 Pada tabel 3. menampilkan nilai intensitas turbulen maksimum pada tiap tampang.nilai tiap tampang cukup fluktuatif berkisar antara 11,60218 cm/s hingga 25,7606 cm/s. Nilai energi kinetik maksimum berada pada C60 yang merupakan titik depresi belokan 120. Berdasarkan tabel diatas disampaikan bahwa pada bagian tampang C.Hu1 hingga C60 nilai energi kinetik maksimum terus mengalami peningkatan. Sedangkan dari tampang C60 hingga tampang C.Hi2 nilai energi kinetik maksimum mengalami penurunan. Gambar 11. Perbandingan distribusi intensitas turbulen sisi luar dan sisi dalam section C120 Semua nilai intensitas turbulen sisi dalam (R80) lebih besar dari sisi luar. Nilai intensitas turbulen tangensial cukup konstan dengan R80 berkisar antara 3,270 cm/s hingga 3,884 cm/s dan R120 berkisar antara 2,344 cm/s hingga 2,888 cm/s. Nilai intensitas turbulen radial R80 berkisar antara 2,349 cm/s hingga 2,858 cm/s dan R120 berkisar antara 2,527 cm/s hingga 3,244 cm/s. Nilai intensitas turbulen vertical R80 berkisar antara 1,112 cm/s hingga 3,811 cm/s dan R120 berkisar antara 0,668 cm/s hingga 2,721 cm/s. Energi Kinetik Turbulen Tabel 3. Rekapitulasi nilai energi kinetik turbulen maksimum pada saluran No Section k (cm/s) R 1 C.Hu1 11,60218 R80 2 C.Hu2 17,23195 R100 3 C0 18,02440 R100 4 C60 25,76056 R100 5 C120 20,44562 R100 6 C.Hi1 18,31084 R100 7 C.Hi2 17,05608 R100 Gambar 12. Grafik nilai energi kinetik turbulen maksimum pada saluran Gambar 13. Lintasan energi kinetik maksimum pada saluran menikung ditinjau dari radius Dari gambar 13. dapat disampaikan nilai intensitas turbulen maksimum berada pada radius 100 (R100) kecuali pada section C.Hu1 yang berada pada radius 80 (R80).

9 Tabel 4. Rekapitulasi nilai energi kinetik turbulen maksimum pada saluran berdasarkan kedalaman relatif No Section z/h 1 C.Hu1 0,57 2 C.Hu2 0,32 3 C0 0,43 4 C60 0,32 5 C120 0,74 6 C.Hi1 0,02 7 C.Hi2 0,02 Gambar 14. Grafik energi kinetik maksimum pada saluran menikung ditinjau dari kedalaman relatif z/h 5. KESIMPULAN 1. Pada cross C0 nilai intensitas turbulen tangensial ( v ) θ 2 > nilai intensitas turbulen radial ( v ) r 2 > nilai intensitas turbulen vertikal ( v ). v 2 Namun ketika melewati cross C60 nilai v r 2 mengalami peningkatan sebesar 45,29% dan cross C120 nilai v r 2 mengalami peningkatan sebesar 45,03%. Sehingga disimpulkan pada cross C60 dan C120 nilai v r 2 > v θ 2 > v. v 2 ini terjadi karena adanya gaya sentrifugal kearah luar yang dominan pada saluran sehingga nilai kecepatan maupun nilai intensitas turbulen khususnya v r 2 lebih besar. Sedangkan v v 2 nilainya selalu berada di bawah intensitas turbulen tangensial maupun radial. 2. Energi kinetik turbulen maksimum pada belokan selalu berada pada sisi tengah (R100) saluran. Pada cross C0 energi kinetik maksimum berada pada z/h= 0,43 sebesar 18,02440 cm/s, cross C60 energi kinetik maksimum berada pada z/h= 0,32 sebesar 25,76056 cm/s, dan cross C120 energi kinetik maksimum berada pada z/h= 0,74 sebesar 20,44562 cm/s. Energi kinetik turbulen maksimum dari cross C0 menuju cross C60 mengalami peningkatan sebesar 42,92%. Sebaliknya energi kinetik maksimum dari cross C60 menuju cross C120 mengalami penurunan sebesar 20,63%. 3. Distribusi v θ 2 sisi dalam (R80) selalu lebih besar dari distribusi v θ 2 sisi luar (R120). Dengan nilai rerata v θ 2 sisi dalam sebesar 3,4502 cm/s dan rerata v θ 2 sisi luar sebesar 2,8356 cm/s. Sebaliknya distribusi v r 2 sisi dalam (R80) selalu lebih kecil dari distribusi v r 2 sisi luar (R120). Dengan nilai rerata v r 2 sisi dalam sebesar 2,3161 cm/s dan rerata v r 2 sisi luar sebesar 2,5594 cm/s. Distribusi v v 2 mengalami fluktuatif karena lebih besar di sisi dalam (R80) ketika berada pada section C.Hu1, C120, dan C.Hi1. Sedangkan lebih besar pada sisi luar (R120) ketika berada pada section C.Hu2, C0, C60, dan C.Hi2. Dengan nilai rerata v v 2 sisi dalam sebesar 1,9913 cm/s dan rerata v v 2 sisi luar sebesar 1,9597 cm/s. DAFTAR PUSTAKA Anggrahini Hidrolika Saluran Terbuka. Surabaya: Penerbit Srikandi. Blanckaert, K. and Graf, W.H Mean Flow and Turbulence in Open-Channel Bends. Journal of Hydraulic Engineering. 127 (10):

10 Chow, V. T Hidrolika Saluran Terbuka. Jakarta: Erlangga. Fu, S. Haase, W. Peng, S. H. Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design. Springer Heidelberg New York Dordrecht London. Istiarto Flow Around a Cylinder in a Scoured Channel Bed. Ph.D Thesis No Switzerland: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Raju, K. G. Rangga Aliran Melalui Saluran Terbuka. Jakarta: Erlangga. Rozovskii, I. L Flow of Water in Bends of Open Channels. Jerussalem: Israel Progamme of Scientific Translation. SonTek ADVField/ Hydra Operation Manual, ADVField software Manual & ADV Principles of Operation. San Diego. SonTek/YSI Inc.