MODUL 10 KEDALAMAN KRITIS PADA SALURAN TERBUKA (OPEN CHANNEL)

LAPORAN AKHIR

PRAKTIKUM MEKANIKA FLUIDA 1 2022/2023

MODUL 10

KEDALAMAN KRITIS PADA SALURAN TERBUKA (OPEN CHANNEL)

Disusun Oleh:

KELOMPOK 3

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

UNIVERSITAS PERTAMINA 2022

NIM : 102220059

Asisten Praktikum : Melky Nathanael

Nama : Arya Wannadi Hafizh

KEDALAMAN KRITIS PADA SALURAN TERBUKA (OPEN CHANNEL)

Arya Wannadi Hafizh^1* Muhammad Qathan Farhas¹ FADLI¹

1Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Pertamina

*Corresponding Author: aryawannadi123@gmail.com

Abstrak: Praktikum ini berjudul Kedalaman Kritis pada Saluran Terbuka (Open Channel). Aliran pada saluran terbuka atau open channel flow pada umumnya memiliki jenis aliran yang tidak seragam, hal ini dibuktikan dengan garis arus yang berada dalam suatu penampang memiliki tinggi kecepatan yang berdeda-beda sehingga berdampak pada jenis aliran yang tidak seragam. Untuk itu praktikum ini bertujuan untuk mengetahui secara virtual berbagai fenomena yang terkait dengan air mengalir pada saluran terbuka, mengetahui efek pengurangan energi tertentu dari arah hilir dan permukaan datar, mengetahui efek pengurangan energi tertentu dari arah hilir dengan arus cepat dan permukaan yang memiliki beda ketinggian, dan mengetahui persamaan energi spesifik dan bagaimana menunjukkan kedalaman kritis adalah fungsi dari aliran per satuan lebar. Adapun hasil yang didapatkan pada praktikum ini yaitu pada saat energi minimum sebesar 0,03269845 m akan mencapai kedalaman kritis sebesar 0,02179897 m serta hubungan debit terhadap kedalaman kritis adalah berbanding lurus karena ketika nilai debit semakin mengecil, nilai kedalaman kritis juga akan semakin mengecil.

Kata Kunci: Aliran, Debit, Energi, Kedalaman, Kritis

Abstract: This practicum is entitled Critical Depth on Open Channels. Flow in an open channel or open channel flow generally has a non-uniform flow type, this is evidenced by the flow line that is in a cross section having different high speeds so that the impact on the type of flow is not uniform. For this reason, this practicum aims to find out virtually various phenomena related to flowing water in open channels, to know the effect of reducing certain energy from downstream and flat surfaces, to know the effect of reducing certain energies from downstream with fast currents and surfaces having different heights, and know the specific energy equation and how to show the critical depth is a function of flow per unit width. The results obtained in this practicum are when the minimum energy of 0.03269845 m will reach a critical depth of 0.02179897 m and the discharge relationship to the critical depth is directly proportional because when the discharge value decreases, the critical depth value will also decrease.

Keywords: Critical, Depth, Discharge, Energy, Flow

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Pada kehidupan sehari-hari banyak hal yang kita temukan tekait tentang fluida, seperti aliran sungai mengalir dari hulu ke hilir yang dipengaruhi oleh ketinggian.

Aliran pada saluran terbuka akan mengalami penyempitan lintang saluran secara mendadak, penyempitan yang terjadi dapat berupa aliran superkritis ataupun subkritis. Pada saat terjadi kedalalaman kritis dapat menyebabkan terjadinya energi kritis.

Energi spesifik merupakan tinggi tenaga pada sembarang tampang yang diukur dari dasar saluran. Energi spesifik dipengaruhi oleh laju air dan tinggi kedalaman air, pada saat tinggi kedalaman air besar akan menghasilkan energi yang cukup besar dan sebaliknya.

Oleh karena itu, praktikum modul ini bertujuan untuk memahami lebih lanjut mengenai kedalaman kritis dan energi spesifik

1.2Rumusan Masalah

1. Bagaimana identifikasi secara virtual berbagai fenomena yang terkait dengan air mengalir pada saluran terbuka?

2. Bagaimana efek pengurangan energi tertentu dari arah hilir dan permukaan datar?

3. Bagaimana efek pengurangan energi tertentu dari arah hilir dengan arus cepat dan permukaan yang memiliki beda ketinggian?

4. Bagaiaman persamaan energi spesifik dan bagaimana menunjukkan kedalaman kritis adalah fungsi dari aliran per satuan lebar?

1.3Tujuan Penelitian

1. Mengetahui secara virtual berbagai fenomena yang terkait dengan air mengalir pada saluran terbuka

2. Mengetahui efek pengurangan energi tertentu dari arah hilir dan permukaan datar

3. Mengetahui efek pengurangan energi tertentu dari arah hilir dengan arus cepat dan permukaan yang memiliki beda ketinggian

4. Mengetahui persamaan energi spesifik dan bagaimana menunjukkan kedalaman kritis adalah fungsi dari aliran per satuan lebar

1.4 Teori Dasar

Energi merupakan suatu tenaga yang berasal dari pergerakan cairan atau benda padat serta perubahan dari pergerakan. Salah energi yang akan kita pelajari adalah energi spesifik, energi ini merupakan tinggi tenaga pada sembarang penampang ketika diukur dari dasar saluran atau tenaga pada setiap satuan berat air pada sembarang penampang.

Gambar 1. 1 Parameter Energi Spsesifik

Dasar saluran diasumsikan mempunyai kemiringan landai atau tanpa kemiringan dengan Z adalah ketinggian dasar diatas garis referensi yang dipilih, h atau y adalah kedalaman aliran, dan faktor koreksi (∝) energi dimisalkan sama dengan satu.

Pada setiap penampang tertentu energi spesifik terhitung sebagai total energi pada penampang tersebut dan dasar saluran sebagai referensinya.

Persamaan energi pada umumnya adalah

H=z+hcos∅+α v² 2g

Sedangakan persamaan energi untuk saluran datar adalah E= v²

2g+y

Sehubungan dengan nilai debit yang terdiri dari parameter kecepatan dan luas penampang:

Q=v x A

persamaan energi spesifik dapat ditulis sebagai berikut :

Es= Q²

2g A²+y

Pada suatu aliran terbuka akan terjadi penyempitan lintang saluran secara mendadak, penyempitan terjadi akibat pengaruh geometri bagian lengkung masuk penyempitan dan kecepatan aliran, serta keadaan aliran. Penyempitan yang terjadi dapat berupa aliran superkritis ataupun subkritis.

Gambar 1. 2 Grafik Energi Spesifik (Es) terhadap Kedalaman

………1.1

……….………1.2

……….………....……1.3

……..…….………...……1.4

Pada aliran subkritis terdapat adanya penyempitan saluran yang akan menyebabkan terjadinya efek pembendungan yang meluas ke arah hulu, sedangkan pada aliran superkritis hanya akan menimbulkan perubahan ketinggian permukaan air di dekat penyempitan dan tidak meluas ke arah hulu

Pada suatu aliran jika terdapat energi kritis maka kedalaman yang terjadi adalah kedalaman kritis, Kedalaman kritis merupakan kedalaman air yang dapat membuat adanya aliran kritis.

Penentuan kedalaman kritis pada saluran terbuka bergantung pada bentuk geometrik atau dimensi dari saluran itu sendiri. Persamaan kedalaman kritis dan energi spesifik pada geometri segi empat dapat ditulis sebagai berikut:

y_c=

√

^{3 bQ22g=}

^√

^{3 qg2}

Sedangkan energi spesifik minimum:

E_min=y_c+ v_c²

2g=y_c+gy_m

2g=y_c+1 2y_m

Penulisan energi spesifik dengan kedalaman kritis dapat juga ditulis:

E_c=E_min=¿ 3 2 y_c

Kita dapat mengetahui juga bahwa permukaan air terlihat bergelombang ketika aliran mendekati titik kritis, hal ini disebabkan kecilnya perubahan energi spesifik, tetapi terdapat adanya perubahan kedalaman aliran

……..…….…...…….…1.5

……..…...1.6

……..…...…...…….…1.7

Gambar 1. 3 Rumus Kedalaman Kritis dan Energi Spesifik

BAB II

METODE PENELITIAN

2.1 Alat dan Bahan

Alat yang digunakan pada praktikum mengenai “Kedalaman Kritis pada Saluran Terbuka (Open Channel)” adalah hydraulic bench sebagai sumber air untuk percobaan dan hydraulic flow demonstrator sebagai alat permodelan, serta stopwatch sebagai alat bantu saat menghitung debit aliran dari hydraulic bench.

Sedangkan bahan yang digunakan, yaitu sejumlah air (fluida) yang dibutuhkan.

Gambar 2. 1 Hydraulic Bench

Gambar 2. 2 Hydraulic Flow Demonstrator

Gambar 2. 3 Stopwatch

2.2 Cara Kerja

Cara kerja yang digunakan pada praktikum ini dimulai dengan memastikan ketiga pitot tube berada dalam posisi yang diinginkan serta memastikan ketinggian manometer sama dengan ketinggian air yang masuk pada Hydraulic Flow Demonstrator. Pompa pada hydraulic bench dinyalakan dan katup pengontrol aliran dibuka sesuai dengan kebutuhan air. Lalu katup pengontrol aliran keluar dan masuk pada Hydraulic Flow Demonstrator dibuka secara bertahap untuk menjaga tingkat kedalaman air di saluran Hydraulic Flow Demonstrator. Kemudian, katup keluaran juga dibuka bertahap hingga terbuka secara penuh. Selanjutnya kita memastikan ketinggian aliran seragam dengan katup aliran keluar terbuka penuh dan bendungan keluar (outlet weir) pada posisi terendahnya dan dasar kanal saluran digunakan sebagai referensi semua pengukuran. Setelah itu, ketinggian bendungan masuk (inlet weir) disesuaikan sehingga ketinggian bukaannya 10 mm di atas dasar kanal. Lalu katup aliran kontrol dan alirkan air dibuka secara bertahap hingga ketinggian y0 = 190 mm, yang diukur dengan skala kedalaman hulu (upstream). Dengan y0pada posisi tersebut, Q akan diukur dan direkam dengan menggunakan flowmeter atau kenaikan volume tangki volumetrik dengan stopwatch. Ukur dan rekam juga

menggunakan skala kedalaman hilir (downstream). Selanjutnya bendungan dinaikkan secara bertahap untuk setiap 5 mm hingga ketinggian bukaannya 40 mm. Lalu, aliran dibiarkan menjadi stabil, kemudian kedalaman aliran diukur dan direkam dari y0 dan y1. Kemudian, debit Q dinaikkan sedikit dan bendungan diturunkan hingga y0 = 190 mm. Q akan diukur dan direkam dan selanjutnya sesuaikan ketinggian bendungan dengan melakukan Langkah tadi.

BAB III

HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Hasil

Tabel 3. 1 Hasil Pengamatan Eksperimen

Pengujian Volume,

∀ (m³)

Waktu,

t (s) ygate y0 y1

1 0,01 12,4 0,01 0,16 0,006

2 0,01 12,55 0,01 0,16 0,006

3 0,01 12,8 0,01 0,16 0,007

A. Penentuan Debit, Q, Debit per Satuan Lebar, q, Luas Area Penampang, A0 dan A1, serta Kecepatan Aliran Air, v0 dan v1

Debit aliran, Q

(m³/s)

Debit per satuan lebar, q

(m²/s)

Luas penampang

(m²) Kecepatan aliran (m/s)

A0 A1 v0 v1

0,00080645 0,01008065 0,0128 0,00048 0,06300403 1,68010753 0,00079681 0,00996016 0,0128 0,00048 0,062251 1,66002656 0,00078125 0,00976563 0,0128 0,00056 0,06103516 1,39508929 b = 8 cm = 0,08 cm

g = 9,81 ms^-2

Tabel 3. 2 Hasil Pengolahan Primer, Debit (Q), Debit per Satuan Lebar (q), Luas

Pada perhitungan ini akan menggunakan data dari pengujian pertama, berikut perhitungan debit (Q) dan Debit per satuan Lebar (q):

Q=∀

t

=

^0,01m3

12,4s

= 0,00080645 m

³

/s

q=Q

b=0,00080645m³/s

0,08m = 0,01008065 m²/s

Pada perhitungan ini akan menggunakan data dari pengujian pertama, berikut perhitungan luas berbentung persegi:

�

0

= �

0

× � = 0,16 m × 0,08 m = 0,0128 m

²

�

1

= �

1

× � = 0,006 m × 0,08 m = 0,00048 m

²

Pada perhitungan ini akan menggunakan data dari pengujian pertama, berikut perhitungan kecepatan aliran:

v₀=Q

A₀

=

^{0,00080645m3/s}

0,0128m²

=

0,06300403 m/s v₁= Q

A₁

=

0,00080645m³/s

0,00048m²

=

1,39508929 m/s B. Penentuan Energi Spesifik, E0 dan E1, serta Bilangan Froude, Fr

E₀=y₀+ v₀²

2g

=

0,16 + ^0,06300403

2

2(9,81m/s²)

=

0,16020232 m E₁=y₁+ v₁²

2g

=

0,16 + ^1,68010753

2

2(9,81m/s²)

=

0,14987163 m F_r= v₁

√

^{g y}1

=

1,39508929m/s

√

^{9,81m/s2x0,16}

⁼

^6,92511434

C. Penentuan Kedalaman Kritis, yc, dan Energi Minimum, Emin

Tabel 3. 3 Hasil Pengolahan Sekunder, Energi Spesifik (E0 dan E1)

Energi spesifik (m)

Fr

E0 E1

0,16020232 0,14987163 6,92511434 0,16019751 0,14645302 6,84234405 0,16018987 0,10619848 5,32376013

Kedalaman kritis, yc (m)

Energi minimum (m)

0,02179897 0,03269845 0,02162492 0,03243738 0,02134242 0,03201363

Tabel 3. 4 Hasil Pengolahan Akhir, Kedalaman Kritis (yc)

y_c=

√

^{3 qg2}

⁼ √

³ (0,01008065m2/s)²

9,81m/s²

=

0,02179897 m E_min=3

2y_c=3

2x0,02179897m = 0,03269845 m

3.2 Pembahasan

A. Pengaruh kedalaman kritis yc terhadap debit Q

0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01

0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02

0.02 0.02

0.02

0.02

f(x) = − 24.44 x² + 1.93 x + 0 R² = 1

Grafik Hubungan Debit dan Kedalaman Kritis

Kedalaman kritis (m)

Debit (m2/s)

Grafik 3. 1 Hubungan Debit dan Kedalaman Kritis

Berdasarkan grafik diatas kita dapat mengetahui bahwa nilai debit yang semakin besar dapat membuat nilai kedalaman kritis juga membesar serta terlihat pergerakan grafik yang bergerak terus ke atas. Hal ini menunjukkan bahwa pengaruh hubungan debit terhadap kedalaman kritis adalah berbanding lurus karena ketika nilai debit semakin mengecil, nilai kedalaman kritis juga akan semakin mengecil.

Berdasarkan nilai regresi parabolik juga dapat diketahui bahwa nilai Rp2 = 1, hal ini juga menunjukkan bahwa debit memiliki hubungan yang berbanding lurus dengan kedalaman kritis.

B. Hasil perhitungan Ec terkait dengan titik energi minimum pada kurva yang dibuat

Berdasarkan tabel 3.4 kita dapat mengetahui bahwa rata-rata kedalaman kritis yang didapat pada percobaan ini adalah 0,02158877 m, sedangkan rata- rata nilai energi minimum yang didapat adalah 0,032383153 m.

Berdasarkan grafik 3.2 pada lampiran kita dapat mengetahui bahwa dengan menggunakan nilai debit per satuan lebar qavg sebesar 0,00993548 m²/s, terlihat bahwa titik kritis terjadi pada saat Energi spesifik mencapai nilai minimum sebesar 0,032734865 m dengan kedalaman kritis sebesar 0,024 m.

Hal ini menandakan bahwa hasil plot grafik dengan hasil perhitungan dapat dikatakan sama, walaupun hanya mengalami perbedaan selisih yang tidak terlalu signifikan. Perbedaan tersebut dapat disebabkan karena adanya pembulatan yang terjadi ketika menggunakan excel.

Selain hal diatas kita juga dapat mengetahui bahwa ketika energi spesifik berada pada nilai 0,1594 akan membuat nilai kedalaman kritis y1 sebesar pada aliran superkritis dan y2 sebesar 0,1592 pada aliran subkritis. Hal ini menandakan adanya aliran yang berbeda, yaitu terdapat aliran kritis, superkritis dan subkritis.

C. Dampak pada kedalaman kritis apabila saluran dimiringkan dengan sudut tertentu dimana ketinggian inlet saluran lebih tinggi daripada outletnya?

Adanya perbedaan ketinggian inlet yang lebih tinggi daripada outlet dapat mengaibatkan debit aliran atau laju aliran menjadi semakin cepat.

Berdasarkan pembahasan pada poin A, kita dapat mengetahui bahwa debit aliran memiliki hubungan berbanding lurus dengan kedalaman kritis.

Berdasarkan poin tersebut kita dapat mengambil kesimpulan bahwa lebih tingginya inlet daripada outlet dapat mengakibatkan besarnya debit aliran semakin meningkat sehingga dapat juga meningkatkan nilai dari kedalaman kritis. Jadi, kita dapat mengambil kesimpulan bahwa nilai kedalaman kritis memiliki hubungan berbanding lurus dengan sudut ketinggian inlet.

BAB IV PENUTUP

4.1Kesimpulan

Berdasarkan praktikum yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa:

1. Aliran air dalam suatu saluran berdasarkan tekanan muka air dapat berupa aliran saluran terbuka, aliran air yang melewati kolam atau sungai termasuk aliran terbuka. Pada kolam, aliran air, kemiringan dan kondisi dasar saluran menimbulkan kesan yang kaku, tenang, damai, memanatulkan bayangan suatu objek dan dapat menetralkan suatu objek.

Sedangkan pada aliran air di sungai memiliki kesan yang sangat tidak teratur terhadap ruang dan waktu, baik dari kemiringan dasar, belokan debit aliran dan sebagainya.

2. Energi spesifik akan mencapai minimum pada suatu titik. Pada Titik tersebut kedalaman seolah-olah menyatu atau dikenal dengan kedalaman kritis (critical depth). Suatu kedalaman aliran melebihi kedalaman kritis dan kecepatan aliran lebih kecil daripada kecepatan kritis untuk suatu debit tertentu, maka aliran ini disebut dengan subkritis (Fr<1). Sedangkan apabila kedalaman aliran kurang dari kedalaman kritis dan kecepatan aliran lebih besar daripada kecepatan kritis untuk suatu debit tertentu, maka aliran ini disebut dengan aliran superkritis (Fr>1).

3. Energi spesifik merupakan tinggi tenaga pada sembarang penampang ketika diukur dari dasar saluran atau tenaga pada setiap satuan berat air pada sembarang penampang. Sehingga untuk saluran yang kemiringannya kecil dan α = 0, maka energi spesifik menjadi Es= Q²

2g A²+y

DAFTAR PUSTAKA

Cengel, Yunus A. 2006. Fluid Mechanics Fundamental and Aplications. New York: The McGraw-Hill Companies, Inc

Junaidi, F. F. (2014). ANALISIS DISTRIBUSI KECEPATAN ALIRAN SUNGAI MUSI (RUAS JEMBATAN AMPERA SAMPAI DENGAN PULAU KEMARO). Jurnal Teknik Sipil dan Lingkungan, 542-552.

Modul Praktikum. Mekanika Fluida I. 2022. Jakarta: Universitas Pertamina Setiohadi, B. A. (2016). DESAIN SALURAN TERBUKA AKIBAT KEHILANGAN

ENERGI SPESIFIK YANG DISEBABKAN PENYEMPITAN PADA SALURAN. Jember : Universitas Muhammadiyah Jember.

Soekarno, I., & Heruyoko. (2009). Kajian Hubungan Antara Debit Berubah dengan Tinggi Muka Air dan . Jurnal Teknik Sipil, 13-28.

White, Frank M. 2003. Fluid Mechanics, Fifth Edition. New York: Mc Graw Hill

LAMPIRAN

FORMULIR PENGAMATAN

MODUL 10 : KEDALAMAN KRITIS PADA SALURAN TERBUKA (OPEN CHANNEL)

Praktikan: Mahasiswa Program Studi Teknik MESIN-Universitas Pertamina

No. Kelompok: 3

No. Nama NIM Tanggal Pratikum

1. Arya Wannadi Hafizh 102220059

Asisten

(...) TANGGAL PENGUMPULAN LAPORAN:

Pengujian Volume,

∀ (m3)

Waktu,

t (s) ygate y0 y1

Debit aliran,

Q (m³/s)

Debit per satuan lebar, q

(m²/s)

Luas penampang (m²)

A0 A1

1 0,01 12,4 0,01 0,16 0,006 0,00081 0,01008 0,0128 0,00048 2 0,01 12,55 0,01 0,16 0,006 0,0008 0,00996 0,0128 0,00048 3 0,01 12,8 0,01 0,16 0,007 0,00078 0,00977 0,0128 0,00056

b = 8 cm = 0,08 cm g = 9,81 ms^-2

Kecepatan aliran (m/s) Energi spesifik (m)

Fr Kedalaman kritis, yc (m)

Energi minimum

(m)

v0 v1 E0 E1

0,063 1,680108 0,1602 0,15 6,925 0,021799 0,0327

0,06225 1,660027 0,1602 0,146 6,842 0,0216249 0,03244 0,06104 1,395089 0,16019 0,106 5,324 0,0213424 0,03201

b = 8 cm = 0,08 cm g = 9,81 ms^-2

E (m)

y

(m) q (m²/s) 0,318455157

0,00 4

0,009935 48 0,086613789

0,00 8

0,009935 48 0,046939462

0,01 2

0,009935 48 0,035653447

0,01 6

0,009935 48 0,032578206 0,02

0,009935 48 0,032734865

0,02 4

0,009935 48 0,034417452

0,02 8

0,009935 48 0,041484268

0,03 8

0,009935 48 0,058548563

0,05 7

0,009935 48 0,072970541

0,07 2

0,009935 48 0,088649701

0,08 8

0,009935 48 0,100503128 0,1

0,009935 48 0,114387141

0,11 4

0,009935 48 0,128307085

0,12 8

0,009935 48 0,152217767

0,15 2

0,009935 48 0,180155286 0,18 0,009935

48 0,200125782 0,2

0,009935 48

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Grafik Hubungan Energi Minimum Terhadap Kedalaman Kritis

Energi Minimum (m)

Kedalaman Kritis (m)

Grafik 3. 2 Hubungan Energi Minimum Terhadap Kedalaman Kritis 0,032734865 , 0,024

subkritis y2, avg (0,1594 , 0,1592)