Karakteristik Aliran pada Flume akibat adanya Penyempitan dan Perbedaan Jarak Ambang Tajam

Transkripsi

1 Karakteristik Aliran pada Flume akibat adanya Penyempitan dan Perbedaan Jarak Ambang Tajam Wiwik Yunarni 1, Ririn Endah Badriani 2, Meilita Ika Sari 3 a Staf Pengajar Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Jember, Jl. Kalimantan 37 Jember, wiwik.teknik@unej.ac.id; wiwikferi@gmail.com b Staf Pengajar Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Jember, Jl. Kalimantan 37 Jember, ririn.teknik@unej.ac.id; ririndidin@gmail.com c Mahasiswa Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Jember, Jl. Kalimantan 37 Jember, Meilyta_i@yahoo.com ABSTRAK Flume merupakan alat ukur debit pada saluran terbuka. Perubahan penampang karena fenomena alam dapat menyebabkan perubahan aliran pada saluran terbuka. Perubahan aliran pada saluran dipengaruhi oleh geometri, perubahan dimensi, kecepatan aliran, debit, kedalaman aliran, penyempitan dan perbedaan jarak ambang tajam. Tujuan penelitian ini untuk mengetahui karakteristik aliran (kecepatan dan bilangan Froude) akibat adanya penyempitan dan perbedaan jarak ambang tajam. Bentuk flume yang menjadi bahan kajian dalam penelitian ini adalah akibat penyempitan dengan ketebalan 1.5 cm dan tebal 2 cm. Metode Penelitian adalah experimental, dengan data yang diamati meliputi kedalaman, debit, perubahan penampang. Hasil analisis menunjukkan bahwa dengan adanya pertambahan jarak ambang tajam dan penyempitan semakin besar akan diperoleh kecepatan dan bilangan Froude semakin besar pula. Keywords: Penyempitan, jarak ambang tajam, Bilangan Froude, Flume ABSTRACT Flume is a gauge of discharge on an open channel. Changes in cross-section due to natural phenomena can cause flow changes in open channels. The flow changes in the channel are influenced by geometry, dimensional changes, flow velocity, discharge, flow depth, constriction and sharp threshold distance differences. The purpose of this research is to know the flow characteristics (speed and Froude number) due to the narrowing and the difference of sharp threshold distance. Flume form which is the study material in this study is due to narrowing with a thickness of 1.5 cm and 2 cm thick. Methods The study was experimental, with observed data including depth, discharge, cross-sectional change. The results show that with the increase of sharp threshold distance and narrowing the greater will be obtained speed and number Froude the greater also. Keywords: Narrowsness, Sharp Threshold Distance, Froude Numbers, Flume PENDAHULUAN Penyempitan merupakan fenomena yang biasa dijumpai pada saluran terbuka. Suatu penyempitan pada saluran terbuka, terdiri atas daerah penyempitan penampang lintang saluran secara mendadak. Pengaruh penyempitan tergantung pada geometri (bentuk) bagian lengkungan masuk penyempitan, kecepatan aliran dan keadaan aliran. Sedangkan ambang tajam segitiga merupakan bangunan ukur sederhana yang dapat digunakan untuk mengukur debit aliran di saluran terbuka dengan mudah dan cukup teliti. Ambang tajam Wiwik YW, Ririn E.B, Meilita H-61

2 dapat diatur penggunaannya untuk mengukur kecepatan aliran debit yang melewati gangguan saluran air. Bangunan air dibangun dan direncanakan dengan memerlukan pengetahuan mengenai masalah yang berhubungan dengan aliran dalam saluran terbuka, seperti pengaruh bangunan air terhadap karakteristik aliran yang ikut berpengaruh terhadap profil aliran akibat adanya penyempitan pada saluran terbuka yang menyebabkan ketinggian, kecepatan dan energi pada aliran berubah. Analisa penyempitan dan perbedaan jarak ambang tajam pada saluran terbuka merupakan pengamatan mengenai jenis aliran yang mengalir melalui penyempitan dapat berupa aliran superkritis atau aliran subkritis. TINJAUAN PUSTAKA Geometri saluran Gambar 1. Penampang saluran (Sumber: Hidrolika Saluran Terbuka Ven The Cow,1992) Keterangan: Penyempitan Saluran b h = lebar dasar saluran = tinggi kedalaman air Persamaan kedalaman kritis dan lebar kritis yang dihubungkan dengan energy spesifik dirumuskan dengan Sedangkan (2) ( 1) Sehingga. (3) Keterangan : Q Bc E Hc g = debit air (m3/det) = lebar kritis = energi spesifik = kedalaman kritis = percepatan grafitasi H-62 Karakteristik Aliran pada Flume akibat adanya Penyempitan dan Perbedaan Jarak Ambang Tajam

3 Gambar 2. Sketsa aliran yang melalui penyempitan, (Menurut Tracy dan Carter,1965 dalam Budi, S, 1998). (a) Denah ; (b) tampak tegak; (c) tampak tegak, dengan asumsi kehilangan energy akibat gesekan = 0 Ambang Tajam Keterangan: B = lebar saluran (m) h = tinggi muka air yang terukur (m) p = tinggi mercu di atas dasar saluran (m) Gambar 3. Skematisasi ambang tajam bentuk segitiga (Sumber: SNI ) Klasifikasi Aliran aliran seragam (a), berubah (b) Gambar 4. Klasifikasi aliran (Sumber: Hidrolika II Bambang Triatmojo, 2003 ) Wiwik YW, Ririn E.B, Meilita H-63

4 Bilangan Froude Akibat gaya tarik bumi terhadap aliran dinyatakan dengan rasio gaya inersia dengan gaya tarik bumi g. Rasio ini ditetapkan sebagai bilangan Froude yangdidefinisikan dengan rumus sebagai berikut (Ven TheChow, 1959) : Fr V g. h Keterangan: V = kecepatan aliran (m/det), h = kedalaman aliran (m), g = percepatan gravitasi (m/det 2 ) = kecepatan gelombang dangkal (4) Energi Spesifik Besarnya energi spesifik dapat dirumuskan sebagai berikut (Ven Te Chow, 1959 dalam Robert, J.K, 2002). Parameter energi spesifik dapat dilihat pada gambar 6. E = + h (5) dengan E = energi spesifik. Gambar 5. Parameter energi spesifik (Robert.J.K. 2002) Persamaan energi secara umum (Rangga Raju, 1981) adalah : ² sehingga persamaan energi untuk saluran datar (θ = 0), adalah : Berhubung Q = v x A, maka rumus energi spesifik menjadi : ². ² (6) (7) (8) H-64 Karakteristik Aliran pada Flume akibat adanya Penyempitan dan Perbedaan Jarak Ambang Tajam

5 Keterangan : H = tinggi energi (cm) z = tinggi suatu titikterhadap bidang referensi (cm) a = koefisien energi, pada perhitungan selanjutnya a = 1 E = energi spesifik (cm) h = kedalaman aliran (cm) v = kecepatan aliran rata-rata (cm/detik) A = luas penampang (cm 2 ) g = percepatan grafitasi (cm/detik) Q = debit (cm 3 /det). Perbedaan energi sebelum penyempitan dan energi setelah penyempitan dikenal sebagai kehilangan energi dan profil aliran dapat dilihat pada gambar 6. (Van Te Chow, 1992). ΔE = E 1 E 2 (9) Keterangan: ΔE = kehilangan energi (cm) E 1 = kehilangan energi pertama (cm) E 2 = kehilangan energi ke dua (cm) Gambar 6. Profil aliran melalui penyempitan (Ven Te Chow,1992) Dari Gambar diatas diperoleh persamaan besarnya kehilangan energi sebagai berikut (Van Te Chow, 1992): Δ ². ² ². ² Keterangan: ΔE = kehilangan energi (cm) Y 1 = tinggi air sebelum penyempitan (cm) Y 3 = tinggi air pada penyempitan (cm) V 1 = kecepatan air sebelum penyempitan (cm/det) V 3 = kecepatan air pada penyempitan (cm/det). Kecepatan dapat diturunkan dari persamaan sebelumnya, sehingga persamaan menjadi (Van Te Chow, 1992): (10) Wiwik YW, Ririn E.B, Meilita H-65

6 Δ = + ² ². (11). ². ² Keterangan : A 1 = luas penampang sebelum ada penyempitan A 3 = luas penampang setelah ada penyempitan METODE PENELITIAN Media dan Bahan Penelitian a. Fluida yang akan digunakan adalah air Alat Penelitian dan Alat Ukur a. Tabung Hidrolik, digunakan sebagai tempat aliran percobaan penelitian; b. Benda dari bahan akrilik setebal 1,5 cm dan 2,0 cm terletak di kanan kiri saluran air sebagai benda untuk penyempitan pada aliran; c. Ambang tajam dengan sudut 90 diletakkan dengan jarak yang berbeda, digunakan untuk merubah bentuk aliran; d. Pompa air, digunakan untuk mendorong aliran; e. Penggaris, digunakan untuk mengukur ketinggian aliran; f. Stopwatch, digunakan untuk menghitung waktu pada aliran; g. Ember, digunakan untuk menampung volume air yang keluar dari tabung; h. Gelas ukur, digunakan untuk mengukur volume air yang terkumpul. Variabel penelitian Penelitian ini menggunakan tabung hidrolik dengan lebar 7,8 cm, panjang 4 m, dan tinggi 25,1 cm. Dibagian jarak 1 m diberi penyempitan. Penyempitan saluran ini dilakukan dengan ketebalan yang berbeda yaitu ketebalan 1,5 cm dan 2 cm. Untuk ambang tajam menggunakan sudut 90º dengan jarak yang berbeda. Bahan yang digunakan untuk penyempitan dan ambang tajam terbuat dari bahan akrilik. Durasi waktu yang digunakan untuk pengambilan data tiap tabung selama 15 detik. Masing-masing percobaan dilakukan 5 kali setiap pengujian. HASIL DAN PEMBAHASAN Kalibrasi Alat Ukur Debit Perhitungan debit terukur pada hydraulic bench (Qhb) pada penyempitan 1,5 cm jarak 1 m dan ambang tajam pada jarak 164 cm Qhb = (12) =, H-66 Karakteristik Aliran pada Flume akibat adanya Penyempitan dan Perbedaan Jarak Ambang Tajam

7 = m 3 /detik Jadi, debit terukur (Qhb) pada penyempitan 1,5 cm jarak 1m dan ambang tajam pada jarak 164 cm adalah m3/detik. Untuk selanjutnya, besaran debit pada hydraulic bench (Qhb) ditunjukkan pada Tabel 1. dan Tabel 2. Tabel 1. Debit rata-rata pada penyempitan 1,5 cm menggunakan alat ukur hydraulic bench (Qhb) Jarak 164 cm 223,5 cm 372 cm Rata-rata Sumber : Hasil Perhitungan Penyempitan 1,5 cm Vol (liter) T (detik) Q(M³/det) Tabel 2. Debit rata-rata pada penyempitan 2 cm menggunakan alat ukur hydraulic bench (Qhb) Jarak 164 cm 223,5 cm 372 cm Sumber : Hasil Perhitungan Penyempitan 2 cm Rata-rata Vol (liter) T (detik) Q(M³/det) Pengukuran Debit Menggunakan volumetrik (Qb) Perhitungan debit terukur menggunakan volumetrik (Qb) pada penyempitan 1,5 jarak 164 cm. V = 14,44 liter T = 15 detik Qhb = (13) =, = m 3 /detik Wiwik YW, Ririn E.B, Meilita H-67

8 Tabel 3. Debit rata-rata pada penyempitan 1,5 cm menggunakan alat ukur hydraulic bench (Qhb) Penyempitan 1,5 cm Jarak(cm) Q(M³/det) Rata-Rata Sumber : Hasil Perhitungan Tabel 4. Debit rata-rata pada penyempitan 2 cm menggunakan alat ukur hydraulic bench (Qhb) Penyempitan 2 cm Sumber : Hasil Perhitungan Jarak(cm) Q(M³/det) Rata-Rata Hasil Kalibrasi Hubungan antara Debit Hydraulic Bench (Qhb) dan Debit Volumetrik (Qb) Berdasarkan tabel diatas dapat dibuat grafik untuk mencari hubungan antara debit hydraulic bench dan debit dari volumetrik. Kemudian dicari persamaan linier garisnya. Dari persamaan linier ini kemudian diketahui nilai korelasinya sebesar 1, dan itu artinya hubungan antara Qhb dan Qb sama karena nilai korelasinya sama dengan 1. Sehingga pengamatan debit menggunakan hydraulic bench dapat digunakan.grafik tersebut dapat dilihat pada gambar 8. Kalibrasi Hubungan Qhb dan Qb y = x R² = Qb Qhb Gambar 8. Grafik Kalibrasi Hubungan Hydraulic Bench (Qhb) dan Volumetrik (Qb) H-68 Karakteristik Aliran pada Flume akibat adanya Penyempitan dan Perbedaan Jarak Ambang Tajam

9 Hasil Analisa Data Dari Tabel 5. perbedaan yang terjadi pada setiap perlakuan yang berbeda dapat dilihat secara jelas seperti kecepatan semakin besar karena luas penampang dan tinggi muka air yang semakin kecil. Karakteristik aliran yang berbeda-beda karena tinggi muka air yang bermacam-macam. Dengan penempatan ambang tajam yang semakin jauh, tinggi muka air di hulu dan di hilir akan semakin rendah. Nilai energi spesifik bertandakan negatif yang artinya tinggi muka air di dalam penyempitan mengalami kenaikan. Tabel 5. Perbandingan Hasil Perhitungan Pada Setiap Variabel yang dicari Jarak Perlakuan Tanpa Penyempitran Penyempitan 1,5 cm Penyempitan 2 cm Keterangan 164 cm cm 372 cm Debit (m³/s) Kecepatan (m/s) Karakteristik Aliran Sub Kritis Sub Kritis Sub Kritis Tinggi Muka Air Tinggi Muka Air Energi Spesifik (ΔE) Debit (m³/s) Kecepatan (m/s) Karakteristik Aliran Sub Kritis Sub Kritis Sub Kritis Tinggi Muka Air Hulu Tinggi Muka Air Hilir Energi Spesifik (ΔE) Debit (m³/s) Kecepatan (m/s) Karakteristik Aliran Sub Kritis Sub Kritis Sub Kritis Tinggi Muka Air Tinggi Muka Air Energi Spesifik (ΔE) KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari hasil penelitian ini, yaitu : 1. Kecepatan aliran bertambah dengan bertambahnya jarak ambang tajam dan penyempitan. Kecepatan dalam saluran terbuka tanpa penyempitan dengan jarak 164 cm sebesar 0, m/s, pada jarak 223,5 cm sebesar 0,07238 m/s, pada jarak 372 cm sebesar 0, m/s. Pada Penyempitan 1,5 cm dengan jarak 164 cm sebesar 0, m/s, pada jarak 223,5 cm sebesar 0, m/s dan pada jarak 372 cm sebesar 0, m/s. Sedangkan pada penyempitan 2 cm dengan Wiwik YW, Ririn E.B, Meilita H-69

10 jarak 164 cm sebesar m/s, pada jarak 223,5 cm sebesar 0, m/s dan pada jarak 372 cm sebesar 0, m/s. 2. Bilangan Froude bertambah dengan bertambahnya jarak ambang tajam dan penyempitan. Bilangan Froude tanpa penyempitan dengan jarak 164 cm sebesar 0,05525, pada jarak 223,5 cm sebesar 0,05726 dan pada jarak 372 sebesar 0,0108. Pada penyempitan 1,5 cm dengan jarak 164 cm sebesar 0, , pada jarak 223,5 cm sebesar 0, dan pada jarak 372 sebesar 0, Pada penyempitan 2 cm dengan jarak 164 cm sebesar 0, , pada jarak 223,5 cm sebesar 0, dan pada jarak 372 sebesar 0, DAFTAR PUSTAKA Harianja, Jhonson A. dan Gunawan, Stefanus Tinjauan Energi Spesifik Akibat Penyempitan pada Saluran Terbuka. Edisi Pertama. Yogyakarta Henderson, F.M Open Channel New York: Macmillan Publising CO., INC. J.Kodoatie,Robert Hidrolika Terapan Aliran Pada Saluran Terbuka dan Pipa. Andi.Yogyakarta. Puslitbang Sumber Daya Air-NSPM SNI Metode Pengukuran Debit pada Saluran Terbuka Bangunan Ukur Ambang Tajam Persegi Tiga. Raju, K.G. Rangga Aliran Melalui Saluran Terbuka. Jakarta : Erlangga Te Chow, Ven Hidrolika Saluran Terbuka. Jakarta: Erlangga Suteja, Budi Aliran Melalui Penyempitan Saluran. Biro Penerbit UGM. Yogyakarta. Tracey, and Carter Resistance Coeffisients and Velocity Distribution Smooth Rectangular Channel. U.S : Geological Survey. Triatmodjo, Bambang., 1996, Hidraulika I. Yogyakarta: Beta Offset. Universitas Jember Pedoman Penulisan Karya Ilmiah. Jember: UPT PenerbitanUniversitas Jember. H-70 Karakteristik Aliran pada Flume akibat adanya Penyempitan dan Perbedaan Jarak Ambang Tajam