PERILAKU HIDRAULIK FLAP GATE PADA ALIRAN BEBAS DAN ALIRAN TENGGELAM ABSTRAK

Transkripsi

1 Konfereni Naional Teknik Sipil (KoNTekS ) Sanur-Bali, - Juni PERILAKU HIDRAULIK FLAP GATE PADA ALIRAN BEBAS DAN ALIRAN TENGGELAM Zufrimar, Budi Wignyoukarto dan Itiarto Program Studi Teknik Sipil, STT-Payakumbuh, Jl. Khatib Sulaiman Payakumbuh zufrimar_me@yahoo.com Fakulta Teknik Sipil dan Lingkungan, UGM, Jl. Grafika Yogyakarta budiw@ugm.ac.id Fakulta Teknik Sipil dan Lingkungan, UGM, Jl. Grafika Yogyakarta itiarto@ugm.ac.id ABSTRAK Kondii muara ungai umumnya bertopografi datar, jauh dari pemukiman penduduk erta dipengaruhi paang urut air laut. Di daerah eperti ini penggunaan pintu geer atau pintu ejeni yang dilakukan dengan tenaga manuia tidak euai. Pada aat muka air dari hulu tinggi pintu haru di buka dan pintu haru di tutup aat muka air hilir naik. Kinerja pintu dipengaruhi oleh perilaku aliran, ehingga perlu memahami hidraulika aliran yang terjadi di ekitar pintu (flap gate). Penelitian hidraulika aliran menggunakan model flap gate berbentuk egi empat yang ditempatkan pada flume di laboratorium dengan tinjauan terhadap kondii aliran beba dan aliran tenggelam. Pada kondii aliran beba dilakukan pengujian dengan variai kiaran debit dengan maing-maing atau perubahan kedalaman hilir, edangkan pada kondii aliran tenggelam dilakukan pengujian dengan variai kiaran debit dengan maing-maing perubahan kedalaman hilir. Parameter yang diukur adalah kedalaman air pada titik-titik di ebelah hulu dan hilir flap gate erta jaraknya terhadap a pintu (engel). Pengukuran kedalaman menggunakan point gauge. Analii pada penelitian ini didekati dengan peramaan konervai energi, konervai momentum dan keeimbangan momen. Hail penelitian menunjukkan bahwa debit yang mengalir dan udut bukaan yang terjadi pada pintu menyebabkan perubahan aliran beba menjadi aliran tenggelam. Gaya angkat yang emakin bear pada aliran tenggelam mengakibatkan bukaan pintu yang emakin bear. Penambahan kedalaman muka air hilir mengakibatkan emakin bear angka Froude tepat di hulu loncat air dan memperkecil jarak loncat air. Kata kunci: Hidraulik flap gate, aliran beba, aliran tenggelam, gaya angkat.. PENGANTAR Kondii muara ungai umumnya bertopografi datar, jauh dari pemukiman penduduk erta dipengaruhi paang urut air laut. Di daerah eperti ini penggunaan pintu geer atau pintu ejeni yang dilakukan dengan tenaga manuia tidak euai. Pada aat muka air dari hulu tinggi, pintu haru dibuka, ehingga bila letak pintu jauh dari pemukiman akan menyulitkan dalam pengoperaiannya. Oleh karena itu pemilihan pintu klep otomati (flap gate) cocok digunakan untuk kondii terebut. Flap gate lebih dikenal ebagai pintu klep otomati. Pengoperaian pintu ini dapat membuka dan menutup ecara otomati akibat perbedaan tinggi muka air di hulu dan di hilir bangunan. Letak pintu klep dapat diatur untuk memaukkan air pada waktu paang dan menahan pada waktu urut atau ebaliknya, tergantung kebutuhan. Klep dapat dipaang upaya menahan air di aluran dan di lahan. Bila klep membuka ke dalam, pintu terbuka pada waktu paang dan tertutup pada waktu urut ehingga air yang telah mauk tidak bia keluar. Klep juga dapat dipaang untuk membuang air dari aluran. Bila klep membuka ke luar, air tidak bia mauk pada waktu paang, tapi dibuang pada waktu urut. Proe buka tutup pintu ini angat dipengaruhi oleh keeimbangan pada trukturnya. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari aliran yang melewati flap gate dan mengetahui perubahan aliran yang melewati flap gate ehingga dapat digunakan ebagai daar perencanaan pintu air di lapangan. Univerita Udayana Univerita Pelita Harapan Jakarta Univerita Atma Jaya Yogyakarta I - 7

2 Zufrimar, Budi Wignyoukarto dan Itiarto. TINJAUAN PUSTAKA Peramaan Energi Energi yang terkandung di dalam atu atuan berat air yang mengalir di dalam aluran terbuka terdiri dari tiga bentuk yaitu energi kinetik, energi tekanan dan energi elevai diata gari refereni. Energi kinetik pada uatu tampang adalah V /g. Energi tekanan di epanjang gari kemiringan yang luru pada uatu titik yang terendam adalah jarak vertikal dari muka air terebut yaitu ebear y, yang biaanya untuk menunjukkan tinggi tekanan adalah y = p/γ. Energi elevai merupakan jarak vertikal dari gari refereni kedaar aluran. Jadi energi total pada etiap tampang dialuran terbuka adalah (Triatmodjo, 99). V H = z + y + g Peramaan Momentum Momentum uatu partikel atau benda : Perkalian maa (m) dengan kecepatan (V). Partikel-partikel aliran fluida mempunyai momentum. Oleh karena kecepatan aliran berubah baik dalam bearannya maupun arahnya, maka momentum partikel-partikel fluida juga akan berubah. Menurut hukum Newton II, diperlukan gaya untuk menghailkan perubahan terebut yang ebanding dengan bearnya kecepatan perubahan momentum. Gaya dapat terjadi karena adanya kontak antara fluida dengan bidang bata. Bentuk peramaan momentum yaitu (French, 9) : ' ' ' ' ' γ ' ' F + F F Σf f Pf = Q(β u βu ) g dengan : ' ' dan F F = gaya tekanan pada penampang dan, kedua penampang, γ = berat jeni air, θ = kemiringan daar aluran, penampang, ' ' dan u ' f ' F = komponen W in θ, W = berat air antara ' Σf f = jumlah kecepatan rata-rata antara kedua P = gaya yang tidak diketahui antara kedua penampang, β danβ = koefiien koreki momentum, u = kecepatan rata-rata penampang dan. Untuk flap gate, peramaan momemtum pada kontrol volume bagian dan adalah : CV y F V y F F F F y V Gambar. Gaya Gaya pada Flap Gate F + F F F = ρq(v V ) Keeimbangan Momen Proe buka tutup pintu pada aliran tenggelam dipengaruhi oleh tekanan air dari hulu maupun hilir erta berat endiri pintu yang menimbulkan gaya pada bidang pintu. Gaya- gaya yang terjadi dapat di ilutraikan pada Gambar dengan bentuk peramaan : F =..γ.d.w.b Mr = F.(L b/) F =..γ. d.w.b M = F.(L b /) I - 7 Univerita Udayana Univerita Pelita Harapan Jakarta Univerita Atma Jaya Yogyakarta

3 Perilaku Hidraulik Flap Gate Pada Aliran Beba Dan Aliran Tenggelam Mg = W.x dengan : d dan d = jarak vertikal puat berat pintu terhadap muka air hulu dan hilir, w = lebar pintu, b dan b = tinggi miring bagian pintu terendam akibat tekanan air hulu dan hilir, W =berat pintu dibawah engel. Maka keeimbangan momen untuk menghitung gaya angkat pada pintu adalah : Mb Me = Mr + M = Mb = + Mg ± Me Mr + M + Mg 7 Mr = Momen akibat air dari hulu, M = Momen akibat air dari hilir, Mg = Momen akibat berat pintu di bawah engel, Mb = Momen angkat pada poii daun pintu tenggelam, Me = Momen pengaruh geekan engel = (di anggap licin empurna). β L L H L h y F F x W a a y Gambar. Skema Gaya pada Pintu Aliran Tenggelam Peramaan Aliran Beba Di hulu dan vena contracta digunakan peramaan konervai energi, ehingga diperoleh peramaan debit, Subramanya (9). Q = Cd.a.B. g(y Cc.a) dengan Cd = Cc ( (Cc.a) y ) 9 Di hilir menggunakan peramaan konervai momentum y = + Fr j y j Peramaan Aliran Tenggelam Perubahan aliran pada pintu yang dipengaruhi kedalaman aliran hilir dapat menyebabkan aliran tenggelam. Ini diebabkan jika kedalaman hilir lebih bear dari perkalian bukaan pintu dan koefiien kontraki. Daerah hulu hingga vena contacta pada aliran tenggelam, menggunakan peramaan konervai energi Daerah hilir menggunakan peramaan konervai momentum y + y Fr y y Q = Cd.a.B. g(y y ) = Univerita Udayana Univerita Pelita Harapan Jakarta Univerita Atma Jaya Yogyakarta I - 7

4 Zufrimar, Budi Wignyoukarto dan Itiarto. CARA PENELITIAN Penelitian tentang Kajian Hidraulik Flap Gate pada Aliran Beba dan Aliran Tenggelam, dilakanakan di Laboratorium Hidrologi dan Hidraulika Puat Antar Univerita (PAU) Univerita Gadjah Mada Yogyakarta. Pengukuran parameter yang mempengaruhi hidraulik pintu menggunakan point gauge dan model pintu yang dipaang pada Standard Tilting Flume. Model dibuat dari kayu yang dilengkapi engel dengan panjang cm tingg cm dan ketebalan. cm. Perlakuan pada model dengan perubahan debit ebanyak variai dan maing-maing atau variai perubahan kedalaman hilir pintu pada aliran beba dan variai debit dengan maing-maing variai perubahan kedalaman hilir. Bearan debit diperoleh dari pompa kapaita l/ dan variai yang mauk ke flume diatur menggunakan kran. Variabel yang akan diukur dalam penelitian ini adalah kedalaman aliran di hulu dan hilir pintu dalam kondii beba maupun tenggelam, udut bukaan pintu terhadap bidang horizontal erta jarak terhadap a pintu.. HASIL DAN PEMBAHASAN Profil muka air Perhitungan profil aliran yang tejadi diwakili pada debit Q =. cm / dan udut bukaan pintu yang terjadi β =. Kedalaman aliran pada hilir pintu di ukur etiap jarak cm, dimulai nol pada a pintu hingga terjadinya loncat air eperti terlihat pada Gambar. Kedalaman (cm) 7 Profil-M A E F C D B G A y j y 7 9 Jarak (cm) Gambar. Profil Permukaan Aliran Berdaarkan pengukuran diperoleh profil aliran yang terjadi pada flap gate adalah profil M pada hilir pintu. Dengan menaikkan kedalaman hilir atau menaikkan kurva CD, loncatan akan bergeer ke hulu. Kedalaman hilir dapat dinaikkan ampai edemikian hingga loncatan akhirnya hilang didepan pintu air. Dengan menurunkan kedalaman hilir atau menurunkan kurva CD, loncatan akan bergeer kehilir. Energi Speifik dan Gaya Speifik pada Flap Gate Kurva energi peifik dan gaya peifik yang terjadi pada hulu flap gate dapat di lihat pada Gambar. Tampak pada Gambar a, tinggi energi dihitung dari daar aluran, untuk y. cm mempunyai tinggi energi ebear. cm dan y.7 cm tinggi energinya.9 cm dengan eliih energi ebear. cm. Dengan adanya beda elevai ebear cm memberikan tinggi energi total pada y adalah 9. cm, namun maih lebih kecil dari energi di vena contracta dengan eliih ebear. cm. Kedalaman awal loncat air y j (initial depth) elalu lebih kecil dari kedalaman etelah loncat air y yang diebut dengan kedalaman turunan (equent depth). Pada y j.9 cm energinya. cm dan y.7 energinya.9 cm dengan eliih energi. cm. Ini menunjukkan energi pada kedalaman hulu pintu dan pada kedalaman vena contracta terdapat kehilangan energi, begitu juga pada proe loncat air. Kehilangan energi ebear E diebut dengan head lo. Pada Gambar b, dengan menggunakan peramaan momentum, gaya peifik di hulu pintu lebih kecil dari pada gaya peifik di vena contracta, dimana F hulu 9. cm dan F vena contracta 97. cm. Pada proe loncat air gaya peifik initial depth hampir ama dengan gaya peifik pada equent depth. I - 7 Univerita Udayana Univerita Pelita Harapan Jakarta Univerita Atma Jaya Yogyakarta

5 Perilaku Hidraulik Flap Gate Pada Aliran Beba Dan Aliran Tenggelam Kurva Energi Speifik Kurva Gaya Speifik β kedalaman, y, (cm) E E E Ej E kedalaman, y (cm) F F F=Fg F j F y a z y y j y Energi Speifik. E (cm) Gaya peifik, E (cm ) a b c Gambar. Energi Speifik dan Gaya Speifik pada hulu Flap Gate Pengaruh Bukaan Pintu Muka Air Hulu Terhadap Koefiien Kontraki dan Koefiien Debit Koefiien kontraki (Cc) merupakan merupakan raio vena contracta (y ) dengan bukaan pintu (a). Koefiien kontraki merupakan parameter penting dalam pengoperaian pintu air, karena mempengaruhi efiieni air yang melewati pintu air. Gambar menunjukkan hubungan koefiien kontraki dengan raio energi total dihulu pintu terhadap bukaan pintu... Cc a/h Gambar. Grafik Koefiien Kontraki pada Bukaan Pintu Berbeda Dari Gambar tampak koefiien kontraki akan berkurang dengan bertambahnya raio a/h. Hal ini berarti emakin bear energi yang terjadi di hulu pintu karena pertambahan debit akan menyebabkan kontraki yang emakin bear pada pintu. Dari Gambar terebut juga terlihat koefiien kontraki rerata yang terjadi pada pintu adalah.. Nilai ini lebih kecil dari hail penelitian Henderon (9) dalam Rajaratnam dan Subramanya (97) yaitu.. Koefiien debit (Cd) merupakan terhadap raio bukaan pintu dengan kedalaman muka air hulu. Cd dapat dihitungan dengan Peramaan yang tampak pada Gambar... Cd a/h Gambar. Grafik Koefiien Debit pada Bukaan Pintu Berbeda Aliran Beba Univerita Udayana Univerita Pelita Harapan Jakarta Univerita Atma Jaya Yogyakarta I - 77

6 Zufrimar, Budi Wignyoukarto dan Itiarto Dari Gambar tampak bahwa koefiien debit berkurang eiring berkurangnya raio bukaan pintu dan kedalaman muka air hulu. Koefiien debit rerata pada aliran beba adalah.. Sedangkan koefiien debit rerata pada aliran tenggelam tampak pada Gambar 7. C d a/y Q Q Q Q Q Q Q7 Q Gambar 7. Grafik Koefiien Debit pada aliran tenggelam Pada Gambar 7 terlihat koefiien debit pada aliran tenggelam cukup menyebar dan tidak itimatik. Ini euai dengan penelitian Rajaratnam dan Subramanya (97) yang menyatakan bahwa koefiien debit untuk aliran terendam mengalami penyebaran data yang tidak itimatik. Berdaarkan data terebut Cd berkiar antara.9.. Pengaruh Perubahan Debit Terhadap Bukaan Pintu Pada aat flap gate dioperaikan dengan berbagai perubahan debit, akan terjadi perubahan bukaan udut terhadap bidang horizontal. Perubahan ini akan menyebabkan peralihan aliran beba dan aliran tenggelam yang diebut juga dengan bata modular. Pada aat aliran beba, dihilir pintu terjadi aliran uperkriti menjadi aliran ubkriti ehingga terjadi loncat air. Apabila kedalaman muka air hilir dinaikkan, loncat hidraulik akan terdorong kehulu, hingga uatu aat akan merendam vena contracta ehingga terjadi aliran tenggelam yang menyebabkan kondii hilir mempengaruhi kondii hulu flap gate. Berdaarkan hail percobaan dapat dibuat grafik hubungan perubahan debit terhadap perubahan bukaan udut baik aliran beba maupun aliran tenggelam. Hubungan terebut dapat dilihat pada Gambar. Sudut Bukaan Pintu, β ( ) Perubahan Debit Terhadap Bukaan Pintu Submerged Flow 9 Free flow Submerged flow Q Submerged flow Q Submerged flow Q Submerged flow Q Debit, Q (cm /) Free Flow Submerged flow Q Submerged flow Q Submerged flow Q Submerged flow Q7 bata free dan ubmerged Poly. (bata free dan ubmerged) Gambar. Grafik Perubahan Debit terhadap Bukaan Pintu Pada Gambar tampak bahwa etiap perubahan debit mempengaruhi udut bukaan pintu yaitu emakin bear debit, udut bukaan pintu emakin bear. Simulai perubahan udut juga dipengaruhi perubahan kedalaman muka air hilir. Dari gambar terebut juga tampak bahwa untuk atu debit, pada aliran beba mempunyai atu data udut bukaan, edangkan pada aliran tenggelam mempunyai data udut bukaan yang banyak. Ini terjadi karena pada aliran beba, perubahan muka air hilir tidak mempengaruhi udut bukaan pintu, namun ebaliknya pada aliran tenggelam. Bata aliran beba (free flow) dan aliran tenggelam (ubmerged flow) digambarkan dengan gari regrei yang terdapat pada Gambar. I - 7 Univerita Udayana Univerita Pelita Harapan Jakarta Univerita Atma Jaya Yogyakarta

7 Perilaku Hidraulik Flap Gate Pada Aliran Beba Dan Aliran Tenggelam Pengaruh Bukaan Sudut Terhadap Momen Angkat pada Aliran Tenggelam Momen pada pintu akibat tekanan air dari hulu (Mr) dapat di hitung dengan Peramaan, edangkan momen akibat tekanan air dari hilir (M) dapat dihitung dengan Peramaan. Momen akibat berat pintu dihitung dengan Peramaan di mana berat pintu W = 7.9 g. Perubahan momen angkat terhadap bukaan udut dapat dilihat pada Gambar 9. Bukaan Sudut, β ( ) Momen Angkat, Mb (gr cm) Q Q Q Q Q Q Q7 Q Gambar 9. Grafik Hubungan Momen Angkat terhadap Bukaan Sudut Dari Gambar 9 tampak bahwa emakin bear bukaan udut yang terjadi pada pintu, momen angkat yang terjadi juga emakin bear. Ini euai dengan hukum Archimede bahwa emakin bear gaya angkat ke ata menyebabkan benda emakin terapung. Perubahan gaya angkat ini ditunjukkan oleh perubahan bukaan udut yang emakin bear. Pengaruh Perbedaan Muka Air terhadap Tinggi Bukaan Pintu Pada aluran yang mempunyai hambatan eperti pintu akan terdapat perbedaan muka air ( y) yang terjadi antara hulu dan hilir pintu terebut. Perbedaan muka air ini dapat digambarkan terhadap tinggi bukaan pintu (a) eperti Gambar. a (cm ) 7 y (cm) Gambar. Grafik Hubungan y dan a Dari Gambar tampak bahwa hubungan perbedaan muka air terhadap tinggi bukaan pintu berbanding terbalik. Ini berarti emakin kecil perbedaan muka air, tinggi bukaan pintu emakin bear. Hubungan ini di regrei dalam bentuk gari luru. Pengaruh Tekanan Air dan Berat Pintu pada aat Pintu mulai Membuka Kondii eaat yang terjadi pada flap gate akibat tekanan air baik dari hulu maupun hilir erta berat endiri dapat dianggap zat cair dalam keadaan diam. Apabila aliran dari hilir tidak mempengaruhi pintu (aliran beba), maka gaya yang bekerja adalah tekana air dari hulu dan berat endiri pintu. Pada kondii terdapat aliran dari hilir yang mempengaruhi pintu (aliran tenggelam), gaya yang bekerja berupa gaya tekanan hulu, tekanan hilir dan berat endiri pintu. Pintu akan mulai membuka dengan adanya perbedaan tekanan hulu dan hilir etinggi H (H - H ) yang dapat dihitung dengan Peramaan dan. Univerita Udayana Univerita Pelita Harapan Jakarta Univerita Atma Jaya Yogyakarta I - 79

8 Zufrimar, Budi Wignyoukarto dan Itiarto p = p (y H/) W.x p (y H /) = (y H /) W.x dimana : p dan p = tekanan dari hulu dan hilir; H dan H = tinggi muka air hulu dan hilir; y dan x = jarak vertikal dan horizontal titik berat pintu terhadap engel; W = berat pintu. Berdaarkan Peramaan dan dan didukung data-data pintu dan kondii aliran dapat dihitung tinggi muka air yang menyebabkan pintu mulai membuka. Pada aliran beba, pintu akan mulai membuka pada tinggi muka air hulu H =.7 cm. Untuk aliran tenggelam, perbedaan H dan H ( H) ebear. cm akan memberikan perubahan pintu mulai membuka.. KESIMPULAN Berdaarkan hail penelitian mengenai kajian hidraulik flap gate pada aliran beba dan aliran tenggelam adalah :. Perubahan aliran beba menjadi aliran tenggelam dipengaruhi oleh debit yang mengalir dan udut bukaan yang terjadi pada pintu.. Koefiien kontraki yang terjadi emakin berkurang eiring bertambahnya raio bukaan pintu dan tinggi muka air hulu. Koefiien kontraki rerata yang diperoleh pada penelitian ini adalah.. Koefiien debit rerata adalah... Penambahan kedalaman muka air di hilir akan memperkecil kedalaman awal loncat air yang mengakibatkan emakin bearnya angka Froude yang terjadi tepat di hulu loncat air.. Gaya angkat yang terjadi pada pintu diebabkan oleh perubahan bukaan pintu yang emakin bear.. Semakin bear tinggi bukaan pintu yang terjadi menyebabkan eliih kedalaman muka air hulu dan kedalaman muka air hilir pintu emakin kecil erta kecepatan dibawah pintu emakin kecil. DAFTAR PUSTAKA French, R. H., 9, Open Channel Hydraulic, International Edition, McGraw Hill, Singapore Rajaratnam, N., and Subramanya, K., 97, Flow Equation For The Sluice Gate, Journal of Irrigation and Drainage Enggineering, ASCE, 9 (IR), 7 Subramanya, K., 9, Flow In Open Channel, Firt Revied Edition, Tata McGraw-Hill Publihing Company Limited, New Delhi Triatmodjo, B., 99, Hidraulika I, Beta Offet, Yogyakarta Triatmodjo, B., 99, Hidraulika II, Beta Offet, Yogyakarta I - Univerita Udayana Univerita Pelita Harapan Jakarta Univerita Atma Jaya Yogyakarta