Perkenalkan Hidrolika Lanjut

HIDROLIKA LANJUT

Pengasuh MK: Dr. Jakobis J. Messakh Magister Tenik Sipil FST Undana

Semester Ganjil 2023/2023

Hidrolika

• Sub-disiplin bidang teknik sipil yang terkait dengan aliran fluida, umumnya air dan limbah.

• Satu ciri khas dari sistem ini adalah analisa yang ekstensif dari gravitasi sebagai gaya penggerak yang menyebabkan pergerakan fluida.

• Hidrolika membahas tentang distribusi, masalah, penanganan dan pengawasan perairan.

• hidrolika mempelajari tentang perilaku dan sifat zat cair dalam bejana

Parameter Hidrolika

Parameter hidrolika yang dipelajari dalam model matematik atau model fisik adalah

1. kedalaman aliran, 2. kecepatan aliran, 3. erosi,

4. sedimentasi, dan

5. elevasi muka air.

Bidang Kajian Hidrolika

1. Pipa saluran air misalnya pembuatan gorong-gorong atau pipa air PAM yang letaknya perlu diperhitungkan

sedemikian rupa sehingga setiap rumah dapat teraliri dengan deras

2. Bangunan penutup air pada bendungan sehingga dapat diatur seberapa besar volume air yang akan ditahan dan dialirkan.

3. Pipa tambang minyak 4. Sungai

5. Kolam

6. Pelabuhan

7. Pengendalian banjir 8. Irigasi pertanian 9. Drainase kota

Hidrolika akan diterapkan dalam pembangunan yang berhubungan dengan bangunan air contohnya waduk, bendungan,

pelabuhan, irigasi dan drainase kota.

• What is a Hydraulic Jump .mp4

Hidrolika Saluran Tertutup

Topik

• Deskripsi aliran melalui pipa

• Energi head dan moyor head losses

• Persamaan Empirik aliran dalam pipa

• Kehilangan tinggi minor (minor head losses)

• Fenomena Hidrolik pada sistim perpipaan

• Sistim pipa bercabang

• Jaring-jaring pipa

• Pukulan air (water hammer)

• Pompa

• Turbin

Aliran Melalui Pipa

• Suatu pipa bertekanan adalah pipa yang dialiri

air dalam keadaan penuh.

Manfaat Aliran dalam Pipa

• Pipa bertekanan lebih disukai untuk pelayanan penyediaan air minum

• Pipa bertekanan bisa mengambil jalur yang lebih pendek

• Pipa bertekanan dapat dipergunakan untuk menghindari kehilangan

air akibat rembesan dan penguapan yang dapat terjadi pada saluran

terbuka

Aliran pada Saluran Tertutup (Pipa)

• Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran yang digunakan untuk mengalirkan fluida dengan tampang aliran penuh.

• Fluida yang di alirkan melalui pipa bisa berupa zat cair atau gas dan tekanan bisa lebih besar atau lebih kecil dari tekanan atmosfer.

• Apabila zat cair di dalam pipa tidak penuh maka aliran termasuk dalam aliran saluran terbuka atau karena tekanan di dalam pipa sama dengan tekanan atmosfer (zat cair di dalam pipa tidak penuh), aliran temasuk dalam pengaliran terbuka.

Aliran pada Saluran Tertutup (Pipa) (2)

• Perbedaan mendasar antara aliran pada saluran terbuka dan aliran pada pipa adalah adanya permukaan yang bebas yang (hampir selalu) berupa udara pada saluran terbuka.

• Jadi seandainya pada pipa alirannya tidak penuh sehingga masih ada rongga yang berisi udara maka sifat dan karakteristik alirannya sama dengan aliran pada saluran terbuka (Kodoatie, 2002:

215).

• Misalnya aliran air pada gorong-gorong. Pada kondisi saluran penuh air, desainnya harus mengikuti kaidah aliran pada pipa, namun bila mana aliran air pada goronggorong didesain tidak penuh maka sifat alirannya adalah sama dengan aliran pada saluran terbuka.

• Perbedaan yang lainnya adalah saluran terbuka mempunyai kedalaman air (y), sedangkan pada pipa kedalam air tersebut ditransformasikan berupa (P/y). Oleh karena itu konsep analisis aliran pada pipa harus dalam kondisi pipa terisi penuh dengan air.

Zat cair riil dan zat cair ideal

• Zat cair riil didefinisikan sebagi zat yang mempunyai kekentalan, berbeda dengan zat air ideal yang tidak mempunyai kekentalan.

• Kekentalan disebabkan karena adanya sifat kohesi antara partikel zat cair. (kohesi

 gaya tarik menarik antara molekul yang sama)

• Karena adanya kekentalan zat cair maka terjadi perbedaan kecepatan partikel dalam medan aliran. Partikel zat cair yang berdampingan dengan dinding batas akan diam (kecepatan nol) sedang yang terletak pada suatu jarak tertentu dari dinding akan bergerak. Perubahan kecepatan tersebut merupakan fungsi jarak dari dinding batas.

• Aliran zat cair riil disebut juga aliran viskos.

• Aliran viskos adalah aliran zat cair yang mempunyai kekentalan (viskositas).

• Viskositas terjadi pada temperature tertentu.

Aliran Laminer dan Turbulen

• Aliran viskos dapat dibedakan menjadi 2 (dua) tipe yaitu aliran laminer dan tubulen.

• Dalam aliran laminer partikel-partikel zat cair bergerak teratur mengikuti lintasan yang saling sejajar. Aliran ini terjadi apabila kecepatan kecil dan atau kekentalan besar.

• Pada aliran turbulen gerak partikel-partikel zat cair tidak teratur.

Aliran ini terjadi apabila kecepatan besar dan kekentalan zat cair

kecil.

Percobaan Osborn Reynolds (1884)  percobaan untuk menunjukan sifat-sifat aliran laminer dan aliran turbulen.

Kekasaran Permukaan

• Pada zat cair ideal aliran melalui bidang batas mempunyai distribusi kecepatan merata. Sedang pada zat cair riil, karena adanya pengaruh kekentalan, kecepatan di daerah dekat bidang batas mengalami perlambatan dan pada bidang batas kecepatan adalah nol.

Kehilangan Energi (head losses)

• Adanya kekentalan pada fluida akan menyebabkan terjadinya tegangan geser pada waktu bergerak. Tegangan geser ini akan merubah sebagian energi aliran menjadi bentuk energi lain seperti panas, suara dan sebagainya. Pengubahan bentuk energi tersebut menyebabkan terjadinya kehilangan energi.

• Di dalam suatu instalasi jaringan pipa dikenal dua macam kehilangan energi :

• Kehilangan energi akibat gesekan disebut juga kehilangan energi primer atau major loss

• Kehilangan energi akibat perubahan penampang dan aksesoris lainnya disebut juga kehilangan energi sekunder atau minor loss

Kehilangan Energi (head losses)

• Major loss  Terjadi akibat adanya kekentalan zat cair dan turbulensi karena adanya kekasaran dinding batas pipa dan akan menimbulkan gaya gesek yang akan menyebabkan kehilangan energi disepanjang pipa dengan diameter konstan pada aliran seragam. Kehilangan energi sepanjang satu satuan panjang akan konstan selama kekasaran dan diameter tidak berubah.

• Minor loss  Misalnya terjadi pada pembesaran tampang (expansion), pengecilan penampang (contraction), belokan atau tikungan. Kehilangan energi sekunder atau minor loss ini akan mengakibatkan adanya tumbukan antara partikel zat cair dan meningkatnya gesekan karena turbulensi serta tidak seragamnya distribusi kecepatan pada suatu penampang pipa.

Pembesaran Penampang

Perbesaran penampang mendadak dari aliran seperti yang ditunjukan pada gambar mengakibatkan kenaikan tekanan dari P1 menjadi P2 dan kecepatan turun dari V1 menjadi V2. Pada tempat disekitar perbesaran penampang (1) akan terjadi olakan dan aliran akan normal kembali mulai dari tampang (2).

Di daerah antara tampang 1 dan 2 terjadi pemisahan aliran

Kehilangan energi pada perbesaran penampang akan berkurang apabila perbesaran dibuat secara berangsur-angsur. Kehilangan energi diberikan oleh persamaan:

Dengan K’ tergantung pada s udut dan diberikan oleh table 2.3.

Penyempitan Penampang

kehilangan energi dihitung dengan cara seperti pada pembesaran penampang mendadak, yaitu di vena kontrakta ke pipa kecil (tampang dua)

Persamaan Energi

antara Penampang A dab B

Z

_A

+ P

_A

/γ + V

_A²

/2g = Z

_B

+ P

_B

/ γ + V

_B²

/2g + hl

• ZA

adalah energi potensial

• P_A/γ adalah energi tekanan

• V_A²/2g adalah energi kinetik

• ZB

adalah energi potensial

• P_B/ γ adalah energi tekanan

• V_B²/2g adalah energi kinetik

• hl adalah kehilangan energi

Kehilangan Tekanan Akibat Gesekan Pipa

• Persamaan Darcy – Weisbach hf = f * L/D * V

²

/2g

• hf = kehilangan tekanan akibat gesekan pipa

• L = panjang karakteristik pipa

• D = diameter pipa

• V = kecepatan aliran

• g = gravitasi

Soal Latihan 1

1. Suatu pipa mempunyai luas tampang yang mengecil dari diameter

0,3 m (tampang 1) menjadi 0,1 m (tampang 2). Selisih elevasi

tampang 1 dan 2 (dengan tampang 1 di bawah) adalah Z. Pipa

mengalirkan air dengan debit aliran 50 l/d. Tekanan di tampang 1

adalah 2 kgf/cm

²

. Apabila tekanan pada tampang 2 tidak boleh

lebih kecil dari 1 kgf/cm

²

, hitung nilai Z. Kehilangan tenaga

diabaikan dan percepatan gravitasi g = 9,81 m/d2.

Penyelesaian

g V z p

g V z p

2 2

2 2 2

2 2

1 1

1     





m/d 707 , 3 0

, 0 25

, 0

05 , 0

2 1

1 



 

 A 

V Q

m/d 366 , 1 6

, 0 25

, 0

05 , 0

2 2

2 



 

 A 

V Q

P₁ = 2 kgf/cm² = 2 x 10.000 = 20.000 kgf/m²

P₂ = 1 kgf/cm² = 1 x 10.000 = 10.000 kgf/m²

air m 1000 20

000 .

1  20 

 p

air m 1000 10

000 .

2  10 

 p







 









 



 g

V p

g V z p

z 2 2

2 2 2

2 1 1

1

2  



 





 





 





 

 2 9,81

366 , 10 6 81

, 9 2

707 , 20 0

2 2

Z

m 96 ,

 7 Z

Latihan

1. Suatu pipa mempunyai luas tampang yang mengecil dari diameter

0,4 m (tampang 1) menjadi 0,15 m (tampang 2). Selisih elevasi

tampang 1 dan 2 (dengan tampang 1 di bawah) adalah Z. Pipa

mengalirkan air dengan debit aliran 60 l/d. Tekanan di tampang 1

adalah 3 kgf/cm

²

. Apabila tekanan pada tampang 2 tidak boleh

lebih kecil dari 1 kgf/cm

²

, hitung nilai Z. Kehilangan tenaga

diabaikan dan percepatan gravitasi g = 9,81 m/d2.

Soal Latihan 2

Air mengalir dari kolam A menuju kolam B melalui pipa 1 dan 2. Elevasi muka air kolam A dan B adalah +30 m dan +20 m. Data pipa 1 dan 2 adalah L₁ = 50 m, D₁=15cm,

f₁=0,02 dan L₂=40m, D₂=20cm, f₂=0,015. Koefisien kehilangan tenaga sekunder di C, D, dan E adalah 0,5; 0,5; dan 1. hitung debit aliran !

A

C D E

B Z₁

Z₂

1 2

h_ec

h_f1 h_eD

h_eE h_f2

Garis tekanan

Garis tenaga

H

Penyelesaian

f

e h

g h V z p

g V

z  p         2

2

2 2 2

2 2

1 1

1  

 

_







 

 



 



 











 g

V g

V p

z p z

h h_{e f}

2 2

2 2 2

1 2

1 2

1  

Tekanan di titik 1 & 2 = tekanan atmosfer → p₁ = p₂ = 0 Kecepatan di titik 1 & 2 = diam → V₁ = V₂ = 0

 ^z

₁

^z

₂



h

h

_e

 

_f

 



Tugas 1 Hidrolika (1)

Air mengalir dari kolam A menuju kolam B melalui pipa 1 dan 2. Elevasi muka air kolam A dan B adalah +45 m dan +30 m. Data pipa 1 dan 2 adalah L₁ = 60 m, D₁=20 cm,

f₁=0,0172 dan L₂=35, D₂=25cm, f₂=0,015. Koefisien kehilangan tenaga sekunder di C, D, dan E adalah 0,5; 0,75; dan 1. hitung debit aliran !

A

C D E

B Z₁

Z₂

1 2

h_ec

h_f1 h_eD

h_eE h_f2

Garis tekanan

Garis tenaga

H

Suatu pipa mempunyai luas tampang yang mengecil dari diameter 0,25 m (tampang 1) menjadi 0,20 m (tampang 2). Selisih elevasi tampang 1 dan 2 (dengan tampang 1 di bawah) adalah Z.

Pipa mengalirkan air dengan debit aliran 30 l/d. Tekanan di tampang 1 adalah 1,75 kgf/cm². Apabila tekanan pada tampang 2 tidak boleh lebih kecil dari 1,5 kgf/cm², hitung nilai Z. Kehilangan tenaga diabaikan dan percepatan gravitasi g = 9,81 m/d2.

Tugas 1 Hidrolika (2)