JURNAL TEKNIK PENGAIRAN KONSENTRASI PERENCANAAN BANGUNAN AIR

Transkripsi

1 DISTRIBUSI KECEPATAN ALIRAN DI SALURAN TERBUKA PADA BELOKAN 120 o MENGGUNAKAN ACOUSTIC DOPPLER VELOCIMETER (ADV) JURNAL TEKNIK PENGAIRAN KONSENTRASI PERENCANAAN BANGUNAN AIR Ditujukan untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar Sarjana Teknik MARETA ANGGUN WULANDARI NIM UNIVERSITAS BRAWIJAYA FAKULTAS TEKNIK MALANG 2016

2 LEMBAR PENGESAHAN DISTRIBUSI KECEPATAN ALIRAN DI SALURAN TERBUKA PADA BELOKAN 120 o MENGGUNAKAN ACOUSTIC DOPPLER VELOCIMETER (ADV) JURNAL TEKNIK PENGAIRAN KONSENTRASI PERENCANAAN BANGUNAN AIR Ditujukan untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar Sarjana Teknik Disusun Oleh: MARETA ANGGUN WULANDARI NIM Jurnal ini telah direvisi dan disetujui oleh dosen pembimbing pada tanggal: 14 Juni 2016 Dosen Pembimbing I Telah diperiksa dan disetujui oleh: Dosen Pembimbing II Dr. Sumiadi, ST., MT. Ir. Heri Suprijanto, MS. NIP NIP Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Pengairan Ir. Moch. Sholichin, MT., Ph.D. NIP

3 DISTRIBUSI KECEPATAN ALIRAN DI SALURAN TERBUKA PADA BELOKAN 120 o MENGGUNAKAN ACOUSTIC DOPPLER VELOCIMETER (ADV) Mareta AnggunWulandari 1, Sumiadi 2, Heri Suprijanto 2 1 Mahasiswa Jurusan Teknik Pengairan, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya 2 Dosen Jurusan Teknik Pengairan, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya maretaanggun@gmail.com ABSTRAK Pada belokan saluran pembagian distribusi kecepatan alirannya tidak merata dan terdapat nilai pada masing-masing sumbu koordinat kecepatan aliran. Kecepatan radial dan vertikal menyebabkan adanya aliran sekunder yang bekerja bersama aliran utama menghasilkan aliran helokoidal. Penelitian ini dilakukan menggunakan alat ukur Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) dengan dasar tetap (fix bed), material dinding dan dasar berupa lapisan semen dengan lebar saluran 0,5 m, dan kemiringan dasar saluran 0, Saluran ini memiliki dua belokan saluran, yaitu belokan pertama pada daerah hulu dengan radius tengah saluran 0,86 m dan sudut belokan 65 o, dilanjutkan dengan saluran lurus sepanjang 3 m, kemudian terdapat belokan kedua yang merupakan objek utama penelitian dengan radius 1 m dan sudut belokan 120 o. Dari hasil pengukuran pendahuluan diperoleh debit aliran 20lt/dt dengan sampling rate 25 Hz dan velocity range 100 cm/dt. Dari hasil pengukuran dan perhitungan, aliran pada belokan saluran adalah jenis hidrolik transisi yang merupakan aliran turbulen sub-kritis. Saat memasuki awal belokan, distribusi kecepatan masih terpengaruh belokan pertama di hulu sehingga kecepatan tangensial sisi dalam lebih besar daripada sisi luar, kemudian secara bertahap pada akhir belokan distribusi kecepatan sisi luar meningkat dan sisi dalam menurun. Kecepatan radial semakin menunjukkan pola aliran yang semakin jelas dengan bertambahnya sudut belokan dan kekuatannya mencapai maksimum pada bagian tengah saluran kemudian menurun di akhir belokan. Dari hasil vektor kecepatan, terdapat sirkulasi aliran yang berupa pusaran utama dan beberapa pusaran minor yang memiliki potensi terhadap erosi. Fenomena super elevasi yang terjadi pada belokan saluran memiliki nilai yang relatif rendah karena merupakan aliran sub-kritis. Kecepatan geser dihitung dengan menggunakan metode Clauser. Seluruh profil di belokan saluran pada daerah inner region memiliki pola dan nilai yang berhimpit dengan perhitungan teoritis logarithmic law, namun tidak pada daerah outer region. Kata kunci: distribusi kecepatan, saluran terbuka, ADV, belokan saluran, non uniform ABSTRACT The velocity distribution on open-channel bend are irregular and there is value in each axis flow velocity. The vertical and radial velocity causes the secondary flow and it works with the main flow generating helokoidal flow. This experiment was carried out using Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) on a fixed bed channel with bed and wall material of a layer of cement with a channel width of 0.5 m and a bed slope of This channel has two bends, the first bend is in the upstream with a radius of 0.86 m and 65 o angle bend. Afterwards it is followed by a straight channel along the 3 m, then there is a second bend which is the main object this experiment with a radius of 1 m and the 120 o angle bends. The result of initial measurement was obtained flow rate of 20lt/sec with a sampling rate of 25 Hz and velocity range of 100 cm/sec. From the results of measurements and calculations, the flow is a type of hydraulic transition and turbulent sub-critical flow. When entering the beginning of the bend, the velocity distribution is still affected by the first bend in upstream so that the tangential velocity of inner side is greater than the outer side, then gradually at the end of bend the velocity distribution of the outer side increases and inner side decreases. Distribution of radial velocity are more apparent with increasing of the angle bends and it has maximum strength at the center, then decreased at the end of the bend. From the results of the velocity vector, there are a major circulation and some minor circulation that has potential of erosion. The phenomenon of super elevation that occurs at the channel bend has a relatively low value. It is caused by a type of sub-critical flow. Shear velocity is calculated using Clauser. The entire velocity distribution at inner region has patterns and values that match with logarithmic law, but not on the outer region. Keywords: velocity distribution, open-channel bend, ADV, non-uniform 1. PENDAHULUAN Salah satu masalah hidraulik yang yang sering dijumpai adalah adanya belokan pada saluran. Karakteristik distribusi kecepatan aliran di sekitar belokan saluran ini berbeda dengan karakteristik aliran di saluran lurus uniform. Terlebih jika saluran memiliki lebih dari satu belokan, maka pola kecepatan yang terjadi akan semakin bervariasi. Berbagai macam alat dapat ditemukan untuk mengukur kecepatan

4 aliran fluida pada saluran tergantung dari pendekatan yang berbeda-beda. Salah satu instrumen ukur untuk mengetahui profil kecepatan 3D pada aliran fluida telah dikembangkan oleh produk dari SonTek, San Diego, USA berupa alat Acoustic Doppler Velocimeter (ADV). Pada belokan saluran terdapat aliran sekunder pada aliran. Aliran sekunder bersama aliran utama membentuk aliran spriral (aliran helokoidal) yang menyebabkan adanya potensi gerusan pada dinding dan dasar saluran. Tugas akhir ini bertujuan untuk mengetahui kondisi hidrolik aliran dan pola distribusi kecepatan pada belokan saluran, mengetahui fenomena dan dampak yang ditimbulkan, serta membandingkan hasil penelitian dengan perhitungan teoritis. inner wall Gambar 2. Kemiringan muka air dan aliran sekunder Sumber: Rozovskii (1984:5) Mencari Jenis Hidrolik Aliran Besarnya k s dari berbagai tipe kekasaran dasar telah banyak ditetapkan dari berbagai eksperimen. Tabel 2.1 menunjukkan nilai-nilai k s untuk berbagai jenis material penyusun saluran: Tabel 1. Nilai tinggi kekasaran (k s ) h z outer wall 2. TINJAUAN PUSTAKA Distribusi Kecepatan Aliran Saluran terbuka dipengaruhi oleh tekanan atmosfer di permukaan air yang yang tersebar merata pada semua titik di sepanjang saluran (Triatmojo,1993:103). Gambar 1. Pembagian kecepatan pada saluran persegi Sumber: Chow (1984:24) Pada belokan saluran terjadi gaya yang mengelilingi lengkungan, yaitu gaya sentrifugal. Pada daerah belokan saluran, garis alirannya sangat jelas dan tidak beraturan namun juga meghasilkan arus jalin-menjalin yang dinamakan arus spiral (helocoidal) di sepanjang aliran akibat adanya kecepatan sekunder. Hal ini akan menghasilkan kemiringan muka air transversal. Sumber: Raju (1986:24) Untuk mencari nilai kekasaran yang tepat, maka nilai n dan k s dapat dicari dengan menyamakan nilai dari persamaan-persamaan Chezy. Terdapat beberapa persamaan untuk menentukan aliran merupakan hirolik licin atau kasar. Menurut Raju (1986:23) permukaan yang licin secara hidrolis (hydraulic smooth) diperoleh apabila 0,25 dan hidraulik kasar (hydraulically rough) apabila 6,0 dengan adalah kekasaran dasar saluran Nikuradse dan adalah tebal lapisan batas laminer. Distribusi Kecepatan Aliran Teoritis Logaritmik Pada aliran dengan hidrolik licin ketidakteraturan permukaan menjadi sangat kecil sehingga semua tonjolan tenggelam ke dalam sub lapisan laminar dan kekasaran tidak berpengaruh terhadap

5 aliran di atas lapisan sub laminer. Untuk aliran hidrolik licin diperoleh persamaan logaritmik (Graf,1998:52): dan kemiringan S = 0,00019 dan B = 0,5 m. Saluran terdiri dari bagian-bagian sebagai berikut: = 5,75 log + B s Bila tinggi kekasaran lebih besar dari nilai kritis maka tonjolan akan memiliki besaran dan ketajaman sudut yang memiliki efek yang melebihi sub lapisan laminar sehingga mengganggu aliran dalam saluran. Untuk jenis hidrolik kasar diperoleh (Graf,1998:56): = 5,75 log + B r Dengan: = kecepatan di tiap titik tinjau (cm/dt) = kecepatan geser (cm/dt) = kekentalan kinematik (m 2 /dt) B s = konstanta integrasi hidrolik halus B r = konstanta integrasi hidrolik kasar Super-Elevasi Pada aliran di belokan saluran, gaya sentrifugal yang mengelilingi lengkungan menyebabkan suatu fenomena super elevasi. Super-elevasi adalah peristwa naiknya muka air di dinding luar belokan disertai penurunan elevasi pada permukaan air di dinding bagian dalam saluran. Perbedaan elevasi muka air antara radius sisi dalam (r i ) dan radius luar tikungan (r o ) adalah (Indratmo,1992:8): Z= 1,1 C n r c2 ( ) Dengan: r c = radius tengah saluran (m) C n = fungsi dari kekasaran Chezy Z = perbedaan tinggi muka air (cm) ū = kecepatan rerata tangensial (cm/dt) 3. METODE PENELITIAN Model Saluran dengan Belokan dan Instrumen Penelitian Lokasi penelitian dilakukan di Laboratorium Hidrolika Terapan Jurusan Teknik Pengairan Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang. Penelitian dilakukan pada saluran/flume yang prismatis dengan penampang persegi berupa dasar fix bed yang memiliki sudut belokan θ = 120 o dengan Q = 20 lt/dt Gambar 3. Layout penelitian pada saluran dengan belokan Saluran menikung bagian hulu (first curved channel) dengan θ = 65 o dan radius tengah belokan, r c = 0,86 m Saluran lurus (straight channel) sepanjang 3 m Saluran menikung utama (second curved channel) dengan θ = 120 o dan r c = 1 m Saluran hilir (downstream channel) sepanjang 2 m 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

6 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. 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: Tabel 2. Parameter hidrolik rerata pada hulu Gambar 5. Titik Pengukuran pada satu Cross Section 4. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Pengukuran Pendahuluan (Initial Measurement) 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 Dari data tersebut diperoleh jenis aliran adalah turbulen-subkritis dengan Chezy = 53,79 m 1/2 /dt dan merupakan jenis hidrolik transisi dengan nilai k s = 1,24 mm dan n = 0,0127. Kecepatan Tangensial di Belokan Saluran (u)

7 Gambar 7. Distribusi kecepatan tangensial belokan saluran Pada section 0 o terlihat bahwa kecepatan maksimum masih dominan terjadi pada sisi bagian dalam belokan yaitu R80 sebesar 40,7 cm/dt. Ini menunjukkan bahwa pada daerah hulu terjadi aliran sekunder akibat belokan sebelumnya yang sangat mempengaruhi kecepatan aliran di belokan saluran utama. Kecepatan rerata pada section ini adalah 27,77 cm/dt. Aliran pada section 60 o menunjukkan bahwa kecepatan pada sisi dalam belokan masih lebih besar dibandingkan dengan sisi luar belokan. Kecepatan maksimum masih berada pada R80 sebesar 33,70 cm/dt. Pada section ini kecepatan rerata adalah 23,84 cm/dt dan seluruh profil aliran dari section 0 o menuju section 60 o mengalami perlambatan ratarata sebesar 16,86%. Distribusi kecepatan tangensial pada section 120 o memiliki nilai yang berhimpit. Distribusi kecepatan pada bagian dalam belokan semakin turun dan pada luar belokan semakin meningkat pada section ini. Kecepatan rerata pada section 120 o ini adalah 25,40% dan mengalami percepatan dari section sebelumnya sebesar 6,1%. Peristiwa ini terjadi karena pada awal belokan garis aliran masih memiliki bentuk yang dominan lurus, namun ketika sudut belokan makin bertambah, gaya sentrifugal makin berpengaruh dan menyebabkan aliran mengikuti bentuk belokan sehingga pada akhir belokan dan ketika saluran sudah kembali lurus, garis aliran masih mengarah ke luar belokan untuk mencapai kestabilan. Hal yang sama terjadi pada belokan pertama pada hulu saluran dimana garis aliran setelah belokan pertama masih mengarah ke sisi luar/kiri saluran. Karena saluran lurus setelah belokan pertama masih relatif pendek, maka serangan aliran pada dinding bagian kiri diteruskan hingga mencapai belokan saluran selanjutnya. Akhirnya, pengaruh dari belokan awal masih mendominasi aliran di saluran lurus pada daerah hulu. Proyeksi kecepatan tangensial pada seluruh belokan digambarkan sebagai berikut: Gambar 8. Proyeksi kecepatan tangensial pada saluran Kecepatan Radial (v) di Belokan Saluran

8 memiliki nilai yang besar hingga akhir belokan saluran. Distribusi Kecepatan Tangensial Teoritik Hasil pengukuran distribusi kecepatan pada setiap profil akan menghasilkan kecepatan geser (. Kecepatan geser dan konstanta integrasi (Br) dapat dihitung dengan metode Clauser dengan menganggap profil kecepatan arah tangensial di area inner region masih mengikuti persamaan logaritmik. Tabel 3. Rekapitulasi nilai dan Br Gambar 9. Distribusi kecepatan radial Profil kecepatan radial yang terjadi pada sudut 0 o memiliki nilai yang rendah dan masih belum menunjukkan pola yang jelas sesuai karakteristik aliran radial pada belokan saluran. Distribusi kecepatan radial pada sudut 60 o mulai menunjukkan adanya pola aliran yang jelas pada belokan saluran dimana kecepatan radial di area dasar saluran adalah menuju ke belokan saluran, sedangkan pada bagian dekat permukaan kecepatan radial mengarah pada luar belokan. Kecepatan maksimum pada bagian dasar yang menuju ke dalam belokan saluran memiliki nilai yang lebih tinggi dibandingkan kecepatan di dekat permukaan yang menuju ke luar belokan saluran. Distribusi kecepatan pada sudut 120 o memiliki bentuk yang hampir serupa dengan sudut 60 o, namun pada bagian tengah belokan sampai belakang kecepatan radial semakin berkurang tetapi masih Berdasarkan Graf (1991:52) rumus logaritmik adalah valid dengan distribusi kecepatan pada inner region. Persamaan yang berlaku untuk daerah inner region adalah berdasar persamaan logaritmik dengan rumus berikut ini: = 5,75 log + B r = (5,75 log + B r )

9 Gambar 10. Perbandingan distribusi kecepatan tangensial logaritmik dan data ADV Distribusi kecepatan rerata di awal belokan masih dominan mengikuti persamaan logaritmik, tidak hanya berlaku pada daerah inner region (z/h = 0,2) saja, namun dapat berlaku pada sebagian daerah outer region. Seiring dengan bertambahnya sudut belokan distribusi kecepatan memiliki penyimpangan yang meningkat. Ini disebabkan karena seiring bertambahnya belokan saluran, gaya yang bekerja pada belokan saluran semakin meningkat sehingga kecepatan sekunder semakin kuat yang menyebabkan terganggunya distribusi aliran tangensial pada outer region dan hal ini menjadikan

10 distribusi kecepatan aliran tidak mengikuti distribusi aliran pada saluran yang uniform. Super-Elevasi Perhitungan perbedaan elevasi pada bagian dalam dan luar belokan dan perbandingannya dengan hasil pengukuran selanjutnya dapat dilihat pada tabel berikut ini: Tabel 4. Hasil perbandingan beda tinggi muka air Berdasarkan hasil pengukuran menggunakan point gauge, beda tinggi bagian dalam dan luar pada belokan awal tampang C0 menunjukkan nilai yang paling besar dibandingkan dengan tampang lainnya dan semakin menurun seiring bertambahnya sudut belokan. Nilai pengukuran ini memiliki pola yang berbeda dengan nilai perhitungan beda tinggi teoritis dimana beda tinggi minimum berada pada awal belokan, kemudian nilai maksimum berada pada tampang bagian tengah belokan. Ini disebabkan hasil perbedaan tinggi teortis dipengaruhi oleh perbedaan kecepatan rerata pada setiap tampangnya, dimana kecepatan maksimum berada pada tengah belokan. Vektor Kecepatan Untuk menggambarkan dan mengetahui pola aliran sekunder pada setiap section yang terjadi di belokan saluran, perlu adanya vektor kecepatan yang merupakan resultan antara kecepatan radial (v) dan komponen kecepatan vertikal (w). Dari hasil pengukuran, dapat dilihat vektor kecepatan yang menunjukkan arah aliran sekunder pada bagian dekat dasar mengarah ke sisi dalam dan pada dekat permukaan mengarah kesisi luar belokan. Aliran sekunder yang terjadi dipengaruhi oleh bentuk penampang lintang dan rasio kelengkungan. Aliran sekunder inilah bersama dengan kecepatan tangensial membentuk aliran spiral yang menjadi potensi adanya kerusakan dasar dan tebing saluran. Terdapat pusaran utama, dan beberapa pusaran minor pada vektor kecepatan di belokan. Dari hasil vektor kecepatan terlihat pada section 60 o memiliki potensi kerusakan dasar saluran terbesar berada pada sisi tengah belokan dan pada section 120 o berada pada sisi dalam belokan. Potensi kerusakan dinding juga dimiliki oleh daerah di sekitar sisi luar belokan dari awal sampai akhir belokan. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 11 berikut ini: Section 0 o Section 60 o Section 120 o Gambar 11. Vektor kecepatan 5. KESIMPULAN 1. Aliran pada belokan saluran adalah jenis hidrolik transisi yang merupakan aliran turbulen sub-kritis. Distribusi kecepatan aliran longitudinal pada saluran lurus bagian hulu memiliki nilai yang berbeda pada satu tampang, serta kecepatan transversal memiliki nilai

11 yang cukup besar sehingga tidak sesuai dengan karakteristk aliran lurus uniform. Pada awal belokan kecepatan tangensial pada sisi dalam lebih besar daripada sisi luar, kemudian secara bertahap pada akhir belokan distribusi kecepatan pada sisi luar meningkat sehingga dan pada sisi dalam menurun. Kecepatan radial semakin menunjukkan pola aliran yang semakin jelas dengan bertambahnya sudut belokan. 2. Dari hasil vektor kecepatan terlihat pada tengah dan akhir belokan memiliki potensi kerusakan dasar saluran terbesar. Potensi kerusakan dinding juga dimiliki oleh daerah di sekitar sisi luar belokan dari awal sampai akhir belokan. Fenomena super elevasi yang terjadi pada belokan saluran memiliki nilai yang relatif rendah yang disebabkan oleh jenis aliran pada saluran merupakan aliran sub-kritis. 3. Seluruh profil di belokan saluran pada daerah inner region memiliki pola dan nilai yang berhimpit dengan perhitungan teoritis logarithmic law, namun pada daerah outer region distribusi kecepatan menunjukkan ketidaksesuaian dengan logarithmic law. Hal ini terjadi karena kecepatan tangensial pada belokan dipengaruhi oleh hambatan karena adanya sirkulasi sekunder di belokan saluran. Soekarno, Indratmo Penentuan Koefisien dan Konstanta Super Elevasi pada Tikungan Saluran dalam Pertemuan Ilmiah Tahunan. Senggigi Triatmojo, B Hidraulika II. Yogyakarta: Beta Offset DAFTAR PUSTAKA A YSI Environmental Company User Guide HorizonADV. San Diego: Sontek/YSI Chow, V. T Hidrolika Saluran Terbuka. Jakarta: Erlangga. Graf, W. H Fluvial Hydraulics. West Sussex, UK: John Wiley & Son Ltd. 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.