saluran terbuka
TRANSCRIPT
SALURAN TERBUKA
umumnya turbulen !
Aliran laminar Re < 500
Aliran turbulen Re > 1000
p104. Aliran seragam (uniform) bila variabel aliran (y, A, V, Q) konstan kedalaman air disebut kedalaman normal (yn)
Aliran tidak seragam (non-uniform) bila variabel aliran (y, A, V, Q) tidak konstan
bila perubahan aliran dlm jarak pendek disebut aliran berubah cepat
bila perubahan aliran dlm jarak panjang disebut aliran berubah beraturan
TIPE ALIRAN Berdasar Bilangan FROUDE (Fr = V/
akar g.y)
Aliran Sub Kritis (mengalir) Fr < 1
Aliran Kritis Fr =1
Aliran Super Kritis (meluncur) Fr > 1
Hilir mempengaruhi hulu
Hulu mempengaruhi hilir
DISTRIBUSI KECEPATAN
(gambar 4.4)
ALIRAN SERAGAM
Aliran melalui saluran irigasi (buatan) yang tidak ada perubahan
penampang.
Tidak dapat terjadi pada aliran dg V >>> atau I >>>
Rumus Chezy: π = πΆ π πΌ
Rumus Manning: πΆ =1
2π
1
6 π =1
ππ 2 3π 1 2
Besaran n tergantung bahan dinding saluran (tabel 4.2 hal 113)
Contoh 1:
Saluran bentuk segi empat dg lebar dasar 5 m. Kedalaman air y = 2
m. Kemiringan dasar saluran 0,001. Koefisien Chezy C = 50. Berapa debit?
Contoh 2:
Saluran bentuk trapesium terbuat dari tanah (n=0,022) dg lebar
dasar 10 m dan kemiringan tebing 1:m (vertikal:horizontal) dg m =2.
Kemiringan dasar saluran 0,0001. Kedalaman aliran = 2m. Hitung debit aliran.
Contoh 3:
Saluran bentuk segi empat dg lebar dasar 5 m. Kemiringan dasar
saluran 0,005. Koefisien Manning n = 0,022. Jika debit = 20 m3/dt. Berapa kedalaman aliran ?
Contoh 4:
Saluran bentuk trapesium dg lebar dasar 5 m. Kemiringan tebing
1:1. Terbuat dari pasangan batu (n= 0,025). Kemirinan dasar saluran
0,0005. Debit Q = 10 m3/dt. Berapa kedalaman aliran ?.
Luas tampang basah A = [B+(B+2my)] . π¦
2= 5 + π¦ π¦
Keliling basah π = π΅ + 2 π¦ 1 +π2 = 5 + 2π¦ 2
Jari-jari hidraulis : π =π΄
π
Debit = π = π΄. π = π΄.1
ππ 2 3π 1 2
10 = 5 + π¦ π¦.1
π. π 2 3π 1 2
Persamaan di atas diselesaikan dengan iterasi (coba-coba) y =
1,59 m.
LATIHAN DI KELAS
Saluran dg tampang trapesium (m=1:1,5), lebar dasar 6 m, dan
terbuat dari pasangan dg n = 0,02. Kemiringan dasar saluran 0,001. Jika debit Q = 12 m3/dt, hitung kedalaman aliran.
Tampang Lintang Ekonomis
Untuk debit aliran terterntu, tampang /lintang / basah akan minimum / ekonomis
apabila saluran mempunyai nilai R maksimum atau P minimum
Contoh:
Saluran trapezium dengan kemiringan tebing 1:2
(horizontal:vertikal). Debit aliran Q = 50 m3/d. Kecepatan rerata V = 1 m/dt. Berapa kemiringan dasar saluran jika koefisien Chezy C = 50
m1/2/d).
π΄ = π΅ + π΅ + 2ππ¦ .π¦
2= 2π΅ + 2π¦ .
π¦
2= π΅ +ππ¦ πβ¦1)
m=?
A=Q/V= 50 β¦. 2)
Dari 1) dan 2) (B+my).y = 50 .... 3)
Syarat ekonomis:
B + 2 m y = 2 y β1+m2
B=1,24y ... 4)
Pers 4) masuk pers 3) y=5,36 ; B = 6,65 m
Menghitung kemiringan dasar salran :
Untuk tampang ekonomis : R=y/2 = .....
V=C βRI 1 = 50 β 2,68 x I I = 0,00015.
Mencari Tampang Lintang ekonomis mencari lebar dasar saluran.
Contoh:
Saluran segi empat dengan luas tampang basah 10 m2. Hitung dimensi ekonomis
dan debit aliran, Jika kemiringan dasar saluran 0,001 dan koefisien Chezy C = 50.
Jawab:
Syarat ekonomis: B = 2y
A = B . y = 10 10 = 2y. y y = 2,24 m B = 2 . 2,24 = 4,48 m
Dimensi saluran: B = 4,48 m dan y = 2,24 m
P = B + 2y = .........................
R = A/P = ....................
Q = A.V = A.C. βR.I = 10 . 50. β.. x 0,001 = ..... m3/dt
SALURAN BENTUK LINGKARAN
Berapa D = diameter saluran (bentuk lingkaran) yang diperlukan
untuk mengalirkan debit 3 m3/dt?, jika kemiringan dasar saluran
0,0001 dan aliran di dalam pipa = 0,9 penuh (0,9 D). Koefisien Manning 0,014.
A = Luas ABCD = luas AOCD + luas AOC
= ΒΌ. D2 . (350Β°- 2 . 36Β°52β)/360Β° + 2 . Β½ . BC . OB
= ΒΌ. D2 . 286Β° 16β/360Β° + 2 . Β½ . 0,5 D sin ΗΎ . 0,5 D cos ΗΎ
= 0,744 D2.
P = Busur ADC = . D . 286Β° 16β/360Β° = 2,498 D
R = Jari-jari hidraulis:
R = A/P = 0,744 D2 / 2,498 D = 0,298 D
Debit Q = A.V = A. 1/n. R2/3. I1/2.
3 = 0,744 D2. 1/0,014 . (0,298D) 2/3 . (0,0001)1/2. D = 2,59 m
KERJAKAN DI KELAS:
Berapa D = diameter saluran (bentuk lingkaran) yang diperlukan untuk mengalirkan debit 5 m3/dt?, jika kemiringan dasar saluran 0,0001 dan aliran di dalam pipa = 0,6 penuh (0,6 D). Koefisien Manning 0,015.
V: Kecepatan rata-rata (m/dt)
D: Kedalaman hidrolis (m) = A/T
g: Percepatan gravitasi (m/dt2)
A: Luas tampang (m)
T: Lebar muka air (m)
ALIRAN SUPER KRITIS
ENERGI SPESIFIK (ES)
πΈπ = π¦ +π
2ππ΄2
2
V: Kecepatan rata-rata (m/dt)
g: Percepatan gravitasi (m/dt2)
y: Kedalaman aliran (m)
CONTOH 1:
Saluran bentuk segi empat dg lebar dasar 5 m mengalirkan debit
7,5 m3/dt. Hitung energi spesifik bila kedalaman air 2m.
PENYELESAIAN:
Luas Tampang Aliran: A =
Kecepatan aliran: V =
Enegi spesifik: Es =
CONTOH 2
Saluran bentuk segi empat dg lebar dasar 10 m mengalirkan debit
25 m3/dt. Hitung kedalaman air, bila energi spesifik adalah
minimum (kedalaman kritis) dan kecepatan kritis.
PENYELESAIAN:
Debit per satuan lebar: q =
Kedalaman air kritis: yc =
Kecepatan kritis: Vc =
CONTOH 3
Saluran bentuk trapesium dg lebar dasar 10 m dan
kemiringan tebing 1:1 mengalirkan debit 15 m3/dt.
Hitung kedalaman kritis dan kecepatan kritis.
PENYELESAIAN:
Kedalaman kritis: yc =
Penyelesaian dilakukan dengan coba-coba:
yc = 1 yc = 0,5913 yc = 0,6
Menghitung Vc :
Luas tampang basah: Ac =
Kecepatan
Kecepatan kritis: V =
LATIHAN
Saluran segi 4 dengan lebar 5 m, kedalaman aliran 1.5 m.
Kemiringan dasar 0,0005. Hitung debit aliran jika koefisien Chezy =40
(Jawab Q = 6,495 m3/d)
Saluran segi 4 dengan lebar 3,5 m, kedalaman aliran 1.5 m
melewatkan debit 5m3/d. Hitung. kemiringan dasar jika koefisien
Manning = 0,02 (Jawab I = 0005)
Saluran trapezium dengan lebar dasar 5 m, kemiringan tebing 1:1.
Hitung debit aliran jika kedalaman aliran 1m. Kemiringan dasar
0,001. Koefisien Maning n=0,025 (Q=6,35 m3/d).
Saluran trapezium dengan lebar dasar 5 m, kemiringan tebing 1:1. Debit aliran Q = 10 m3/d. Hitung kedalaman aliran jika kemiringan dasar 0,001. Koefisien Chezy C = 50 (Jawab y = 1,125 m).
Saluran segi 4 dengan luas tampang basah 10 m2. Hitung dimensi ekonomis dan debit aliran jika kemiringan dasar saluran= 0,001 dan C=50 (Jawab y=2,24m; B=4,46m; Q= 16,726m3/d)
Saluran segi 4 dengan Q=20 m3/d dengan kecepatan 2 m/d. Hitung dimensi ekonomis saluran jika koefisien Manning = 0,022. Berapa kemiringan dasar saluran (Jawab I = 00167)
Saluran trapezium dengan kemiringan tebing 1:2 (vertikal:horizontal). Debit aliran Q = 25 m3/d. Kemiringan dasar 0,0005. Koefisien Manning n = 0,02. Tentukan dimensi ekonomis (Jawab y = 2,716; B=1,282 m).
Saluran berbentuk lingkaran dengan i = 0,0001 dan Q=3 m3/d. Apabila aliran di dalam pipa adalah 0,9 penuh, berapa diameter pipa yg digunakan?. Koef. Manning= 0,0149. (Jwb: D=2,59m).
Air mengalir dalam saluran bertampang lingkaran dg
diameter 2m. Kemiringan dasar saluran 0,0025. Hitung
debit aliran jika kedalaman aliran 1m. Koefisien Manning
0,015.
JAWAB:
`D = ; I = ; y = ;N =
Luas tampang A = ... = 1,571m
Keliling basah P = ... = 3,14m
Jari-jari hidrolis R = ...
Debit Q = ... = 3,298 m /d
Contoh Air mengalir dalam saluran bertampang lingkaran dg diameter D.
Kemiringan dasar saluran 0,0001. Debit aliran = 5 m3/d. Koefisien
Manning 0,015. Berapa D jika aliran di dalam saluran 0,8 penuh.
JAWAB:
Cos = ... = 53,13
R = A/P = luas ABCD / luas ADC
A = Luas ABCD = luas AOCD + luas AOC
= ... = 0,6736 D2
P = Busur ADC = 253,74o / 360o . ΟD = 2,21 D
R = A / P = ... = 0,304 D
Q = ... D = 3,32 m
Contoh
Air mengalir dalam saluran bertampang lingkaran dg diameter 3 m.
Kemiringan dasar saluran 0,0025. Hitung debit aliran jika aliran di
dalam saluran 0,9 D. Koefisien Chezy C = 50.
CONTOH 4: Saluran segiempat dengan lebar 10 m, kemiringan dasar
saluran 0,001 dan koefisien Manning n = 0,035,
mengalirkan debit 50 m3/dt. Tentukan kedalaman
normal dan kedalaman kritis aliran.
Penyelesaian:
I = 0,001 n = 0,035 Q = 50
Luas tampang aliran A = .... Keliling basah P = ...
Jari-jari hidraulis R = ... Kedalaman normal yn dihitung dg
rumus Manning:
Q = ... ; y = 5,534 / {(10y/10+2y)}2/3.
Dengan coba-coba, ketemu yn = 3,445 m
Kedalaman air kritis yk dihitung dg rumus: yk = ... =
1,366 m
CONTOH 5: Saluran segiempat dengan lebar 5 m mengalirkan debit 20 m3/dt
dg kedalaman normal 2 m. Koefisien Manning n = 0,025. Tentukan
kemiringan dasar saluran, kedalaman kritis, angka Froude, dan tipe
aliran.
Penyelesaian:
I = ? n = 0,025 Q = 20 kedalaman yn = 2 m
Luas tampang aliran A = ... Keliling basah P = ...; Jari-jari
hidraulis R = ...
Kemiringan saluran dihitung dg rumus Manning: Q = ...; I = 0,00217
Kedalaman air kritis yk dihitung dg rumus: yk =... = 1,177 m
Kedalaman hidraulis D = ... = 2 m V =
Fr = ... = 0,452. Karena Fr < 1 berarti aliran adalah β¦β¦β¦β¦.
CONTOH 6 Saluran trapezium dengan lebar dasar 2m dg
kedalaman aliran 1m mempunyai kemiringan tebing 1:1.
Koefisien Manning n = 0,022 dan kemiringan dasar
saluran 0,005. Hitung debit aliran dan tentukan tipe
aliran.
Penyelesaian:
Luas tampang aliran A = (B+my)y = ; Keliling basah P =
...;
Jari-jari hidraulis R = ...
Debit aliran dihitung dg rumus Manning: Q = ...
Kecepatan aliran V = ... ; Lebar muka air = T = ...
Kedalaman hidraulis = D =...
Angka Fr = ... aliran β¦β¦..
CONTOH 7
Saluran trapezium dengan lebar dasar 15m dg
kemiringan tebing 1:1 mengalirkan debit 100 m3/dt.
Koefisien Manning n = 0,02. Hitung kedalaman kritis dan
kemiringan kritis dari aliran tersebut.
Penyelesaian:
Kedalaman kritis yk dihitung dg: yk =
Dengan coba= coba (iterasi) diperoleh yk = 1,59m
Untuk menghitung kemiringan kritik, dihit7ung dulu
kedalaman kritik (Dk) dan jari-jari hidraulik kritik (Rk).
Dk = ; Rk =
Kemiringan kritik dasar saluran: Ik =
LONCAT AIR
Terjadi jika aliran berubah dari super kritis menjadi sub kritis
Merupakan contoh aliran yg berubah dengan cepat (rapidly varied flow)
Parameter yg dicari adalah y1, y2, dan L (panjang loncat air)
π¦2
π¦1=
1
21 + 8πΉπ2 β 1
Kehilangan tenaga pada loncat air : Es.
βπΈπ = πΈπ 1 β πΈπ 2 =π¦2βπ¦1
3
4π¦1π¦2
πΏ = 5 β 7 π¦2 β π¦1
CONTOH 1 Saluran segi empat dg lebar 3 m mengalirkan debit Q =
15 m3/dt dengan kedalaman 0,6 m sebelum masuk
loncat air. Hitung kedalaman air kritis dan kedalman air
di hilir.
PENYELESAIAN:
Debit aliran per satuan lebar: q = ... = 5 m3/dt/m
Kedlaman air kritis: yc = V ----- = 1,366 m
Kecapatan aliran: V1 = ----- = ----- = 8,33 m/dt
Angka Frude di hulu: Fr1 = ------ = ------------- = 3,435
Kedalaman di hilir, y2: π¦2
π¦1=
1
21 + 8πΉπ2 β 1 ; y2 = .....
--- = --- ( 1 + 8 Fr 2 β 1) = --- = --- ( 1 + 8 (3,435)2 β 1)
y2 = 2,63 m
CONTOH 2:
Saluran segi empat dg lebar 3 m mengalirkan debit Q =
15 m3/dt. Kemiringan dasar saluran 0,004. Koefisien
manning 0,01. Didalam saluran tsb terjadi loncat air.
Tentukan:
Tipe aliran
Kedalaman air setelah loncat air
Panjang loncat air
Kehilangan tenaga pada loncat air
PENYELESAIAN:
a. Kedalaman air kritis: yc = ~ = 1,366 m
Kedalaman air normal: Q = A1. V1
A1 = ~ R = ~
15 = 3π¦11
0,01
3π¦1
3+2π¦1
2/30,004 1/2
Trial & error y
Dengan coba2 y1 = 1,08 m
Kecapatan aliran: V1 = ----- = ----- = 4,63 m/dt
Angka Frude: Fr1 = ------ = ------------- = 1,422
aliranβ¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦ ?
b. Kedalaman di hilir: --- = --- ( 1 + 8 Fr 2 β 1) = --- = ---
( 1 + 8 (1,422)2 β 1)
y2 = 1,70 m
c. Panjang loncat air: L = 7 (y2 β y1) = = 4,34
m
d. kehilangan tenaga:
Es = Es - Es = 0,032 m
ALIRAN TIDAK SERAGAM
Aliran seragam:
y konstan kedalaman normal
V konstan
Garis energi // dasar saluran // permukaan air
Aliran TIDAK seragam:
? ? ?
untuk mengetahui profil muka air di sepanjang saluran / sungai
ENERGI SPESIFIK
inggi total energi pd setiap tampang di saluran
Energi Spesifik :
V = kecepatan rata-rata pd suatu tampang
Ξ± = koefisien koreksi energi = 1,05 β 1,2 (sering dianggap =1)
g
VyzH
2
2
g
VyEs
2
2
Hubungan antara Energi Spesifik & Kedalaman air: Gambar 4.11
Pada saat Es minimum kedalaman air kritis (yc)
Bilangan Froude
V = ...; g = ...; D = ...
π· =π΄
π
Fr < 1 sub kritis (air mengalir)
Fr > 1 super kritis (air meluncur)
Fr = 1 kritis
gD
VFr
Latihan : Soal no 10, 11, 12.
ALIRAN BERUBAH BERATURAN
Rumus 4.31: sudut <<<<< diabaikan
Ξ dianggap = 1
π» = π§ + ππππ +π2
2π
Kemiringan garis energi If dg
Manning Rumus 4.36a / 4.35b
πΌπ =π2π2
π 4/3atau πΌπ =
π2π2
π΄2π 4/3
PROFIL MUKA AIR (Gambar 4.16)
Menghitung profil muka air berdasar Rumus 4.35
Hitungan dmulai dr suatu tampang yg diketahui hubungan antara y & Q
Hitungan bertahap dr satu tampang ke tampang lain dg jarak sekecil mungkin
Jika aliran subkritis: hitungan dari hilir ke hulu
Jika aliran superkritis: hitungan dari hulu ke hilir.
METODE PERHITUNGAN:
Metode Integrasi Numerik
Metode Langkah Langsung
Metode Integrasi Grafis
Metode Langkah Langsung
π§1 + π¦1 +π1
2
2π= π§2 + π¦2 +
π22
2πβπ
βπ = πΌπβπ₯
π§1 β π§2 = πΌπβπ₯
βπ₯ =π¦2+
π22
2πβ π¦1+
π12
2π
πΌπβπΌπ
βπ₯ =πΈπ 2βπΈπ 1
πΌπβπΌπ
πΌπ =π2π2
π΄π2π π
2
If Rumus Manning dg A & R = rerata dr tampang 1 & 2