BAB. II

Prinsip Dasar Aliran

Dalam Perencanaan Hidrolis saluran dan banguan irigasi, pada umumnya telah banyak menggunakan rumus-rumus empiris hasil penekitian. Prinsip dasar hidrolis dalam Bab ini menjelaskan prinsip hidrolika secara teoritis yang mendasari rumus-rumus tersebut.
Pokok-pokok Bahasan :
? Jenis Aliran
Aliran Terbuka dan Aliran Pipa
? Tipe Aliran
Aliran Laminer dan Turbulen
Aliran Tetap dan Tidak Tetap
Aliran Seragam dan Tidak Seragam

Jenis Aliran

Aliran Terbuka dan Aliran Pipa.
Aliran air dalam saluran / bangunan dapat berupa aliran saluran terbuka (Open Channel Flow) ataupun aliran pipa (Pipe Flow). Pada aliran saluran terbuka, permukaan air harus bebas (free surface) sehingga tekanannya selalu sama dengan tekanan atmosfir. Sedangkan pada aliran pipa, seluruh penampang pipa akan terisi air sehingga tidak langsung dipengaruhi tekanan udara.
Perbedaan diantara kedua jenis aliran tersebut, terutama adalah pada aliran terbuka garis derajat hidrolis (hydraulic grade line) berimpit dengan garis permukaan air. Aliran terjadi akibat adanya perbedaan elevasi, sehingga dengan gravitasi, air mengalir dari tempat yang lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah.
Sedangkan pada aliran pipa, garis derajat hidrolis tidak tergantung dari posisi pipa. Garis derajat hidrolis menunjukan tinggi tekan akibat tekanan hidrolik pada pipa. Aliran terjadi karena adanya tekanan hidrolik dalam pipa. Lihat gambar 2.1
Jumlah energi dalam aliran adalah : ,
Dimana: Hf adalah energi yang hilang pada saat air mengalir.

Tipe Aliran

Sesuai dengan sifat dan karakteristik dari setiap jenis aliran, secara umum tipe aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
• Aliran laminer dan turbulen,
• Aliran tetap dan tidak tetap (Steady and Unsteady flows), dan
• Aliran seragam dan tidak seragam (Uniform and Non-uniform flows).
Aliran Laminer dan Turbulen
Pada aliran laminer, tiap partikel air bergerak mengikuti garis arus secara paralel tanpa terjadi perpotongan (intersection). Pada saluran lurus, garis arus akan lurus dan sejajar, sedangkan pada saluran kurva atau saluran tidak beraturan, garis arus mengikuti sesuai bentuk saluran tanpa terjadi saling berpotongan. Kecepatan rata-rata aliran berbanding langsung dengan kemiringan hydrolic gradient.
Pada aliran pipa, perbandingan antara kecepatan rata-rata dengan kecepatan maksimum adalah 0.5, atau : Vrerata = 0.5 Vmax. Distribusi kecepatan seperti terlihat pada gambar 2.2a.




(a). Aliran Laminer (b). Aliran Turbulen
Gambar 2.2 : Distribusi Kecepatan pada Aliran Laminer dan Turbulen.
Sebaliknya pada aliran turbulen, partikel bergerak tidak beraturan dan saling berpotongan. Kecepatan aliran terjadi fluktuatif dan distribusinya kira-kira seperti pada gambar 2.2b.
Perbandingan antara kecepatan rata-rata dengan kecepatan maksimum kira-kira sekitar 0.85. ( Vrerata = 0.85 Vmak).
Secara hidrolis aliran laminer dan turbulen ditentukan oleh besarnya bilangan Reynold (tidak berdimensi). Bilangan Reynold merupakan fungsi dari viskositas (?), kerapatan massa (?), kecepatan aliran (V) dan diameter pipa atau kedalaman aliran (D).
Reynold Number : ………………………… (2-1)
Dengan : ; maka : …………………… (2-2)
Di mana : ? = dynamic viscosity [ N dt/m2 ]
= kinematic viscosity [ m2/dt ]
V = kecepatan aliran [ m/dt ]
D = kedalaman aliran [ m ]

Untuk penampang pipa yang bukan lingkaran, maka digunakan jari-jari hidrolis R, yaitu :
……………………………………… (2-3)
, dimana A = luas basah, dan P = keliling basah.
Aliran laminer apabila bilangan Reynold RE < 2000, dan aliran akan turbulen apabila bilangan Reynold, RE > 2000. Sifat karakteristik air pada tekanan atmosfir dapat dilihat pada tabel 2.1.
Tabel 2.1 : Properties of water at Atmospheric Pressure ( Webber, 1971 ).
Temp.

T Density

( ? ) Specific
Weight
W Specific
Gravity
S Bulk
Modulus
? Kinematic viscosity
? Survace tension
? Vapour pressura
p
?C Kg/m3 KN/m3 N/mm2 Mm2/sec MN/m KN/m2
0 1000 9.81 1.00 2000 1.79 76 0.62
15 1000 9.81 1.00 2150 1.14 73 1.72
50 990 9.71 0.99 2290 0.56 69 11.7
100 990 9.42 0.99 2070 0.30 58 101.2

Aliran Tetap dan Tidak Tetap
Aliran tetap (Steady flow) terjadi apabila di setiap penampang aliran, kecepatan sebagai fungsi dari waktu adalah tetap, meskipun besarnya antara penampang satu dengan yang lain mungkin tidak sama. Dalam bentuk matematik, ?v/?t = 0. Hal ini menyebabkan variabel lainnya juga tetap terhadap waktu, seperti ?h/?t = 0, ?Q/?t = 0, dan ?p/?t = 0. Saluran irigasi pada umumnya direncana untuk aliran tetap.
Pada aliran tidak tetap (Unsteady flow), kecepatan aliran sebagai fungsi dari waktu adalah selalu berubah (?v/?t ? 0). Analisa hidrolis untuk aliran tidak tetap adalah lebih kompleks dibanding dengan aliran tetap. Banjir dan gelombang (ombak) adalah contoh-contoh dari aliran tidak tetap.

Aliran Seragam dan Tidak Seragam.
Pada aliran seragam, kecepatan aliran di setiap penampang adalah tetap (?v/?t = 0). Variabel lainnya seperti kedalaman, tekanan dan debit, juga tidak berubah (?h/?s = 0, ?p/?s = 0, dan ?Q/?s = 0), sehingga pada aliran terbuka atau free surface, aliran seragam akan merupakan aliran tetap (steady).
Aliran tidak seragam terjadi apabila kecepatan rata-rata aliran berubah (?v/?s ? 0). Hal ini dapat terjadi karena perubahan profil atau karena perubahan material saluran. Pada bagian transisi dari bangunan-bangunan irigasi biasanya akan terjadi aliran tidak seragam.