KAJIAN DISTRIBUSI KECEPATAN ALIRAN SEBELUM DAN SESUDAH BELOKAN DI SALURAN TERBUKA MENGGUNAKAN ACOUSTIC DOPPLER VELOCIMETER (ADV) JURNAL TEKNIK PENGAIRAN KONSENTRASI PERENCANAAN BANGUNAN AIR Ditujukan untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar Sarjana Teknik AJENG TITIN SUCIANA NIM. 125060401111011 UNIVERSITAS BRAWIJAYA FAKULTAS TEKNIK MALANG 2016 LEMBAR PENGESAHAN KAJIAN DISTRIBUSI KECEPATAN ALIRAN SEBELUM DAN SESUDAH BELOKAN DI SALURAN TERBUKA MENGGUNAKAN ACOUSTIC DOPPLER VELOCIMETER (ADV) JURNAL TEKNIK PENGAIRAN KONSENTRASI PERENCANAAN BANGUNAN AIR Ditujukan untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar Sarjana Teknik Disusun Oleh: AJENG TITIN SUCIANA NIM. 125060401111011 Jurnal ini telah direvisi dan disetujui oleh dosen pembimbing pada tanggal: 16 Mei 2016 Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Dr. Sumiadi, ST., MT Dian Sisinggih, ST., MT., Ph.D NIP. 19731001 200003 1 001 NIP. 19701119 199512 1 002 Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Pengairan Ir. Moch. Sholichin, MT., Ph.D. NIP. 19670602 199802 1 001 KAJIAN DISTRIBUSI KECEPATAN ALIRAN SEBELUM DAN SESUDAH BELOKAN DI SALURAN TERBUKA MENGGUNAKAN ACOUSTIC DOPPLER VELOCIMETER (ADV) Ajeng Titin Suciana1, Sumiadi2, Dian Sisinggih2 1Mahasiswa Jurusan Teknik Pengairan, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya 2Dosen Jurusan Teknik Pengairan, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya e-mail: [email protected] ABSTRAK Karakteristik saluran terbuka lebih kompleks dibandingkan dengan saluran tertutup karena alirannya dipengaruhi oleh atmosfir. Adanya suatu belokan saluran, dapat menyebabkan perubahan karakteristik aliran pada saluran sebelum dan sesudah belokan. Dalam penelitian digunakan saluran dengan lebar saluran 50 cm dan tinggi saluran 50 cm dengan belokan 120o. Hasil dari pengukuran awal atau inisiai diperoleh debit 20 liter/s, dengan velocity range 100 cm/s dan sampling rate 25 Hz 100 cm/s serta jumlah data minimal yang digunakan yaitu 5000 data dalam tiap titik pengukuran. Hasil pengukuran dengan menggunakan Acoustic Doppler Velocimeter menunjukkan bahwa kecepatan longitudinal maksimum pada saluran sebelum belokan 120o mencapai nilai 32,31 cm/s yang berada pada sisi dalam belokan. Saluran sesudah belokan 120o nilai kecepatan longitudinal maksimum mencapai 25,48 cm/s berada pada sisi luar belokan. Perbedaan nilai kecepatan pada saluran sebelum dan sesudah belokan dipengaruhi oleh adanya kecepatan transversal yang diakibatkan adanya suatu belokan. Keadaan aliran pada saluran sebelum belokan 120o dipengaruhi oleh belokan hulu dengan sudut 65o sehingga menyebabkan saluran pada sebelum belokan menjadi tidak seragam. Vektor kecepatan menunjukan adanya suatu pusaran sekunder yang merupakan pengaruh belokan. Pusaran sekunder disebabkan adanya kecepatan transversal atau kecepatan sekunder dan berpotensi menyebabkan erosi pada dinding saluran. Kata kunci: Belokan saluran, Acoustic Doppler Velocimeter, Distribusi kecepatan. ABSTRACT Open channel characteristics more complex than the closed channels for the flow is influenced by the atmosphere. The existence of a bend channel, can cause changes in the flow characteristics upstream and downstream channel bends. In the present study used a channel with a channel width of 50 cm and 50 cm high channel with a bend corner 120o. Results from the initial measurements obtained inisiation debit or 20 liter/s, with a range velocity of 100 cm/s and a sampling rate of 25 Hz to 100 cm/s and minimal amount of data used are 5000 data in each measurement point. The measurement results using Acoustic Doppler velocimeter showed that the maximum longitudinal velocity on the upstream bends channel reached a value of 32.31 cm / s are located on the inside of the bend. In downstream bend Channel 120o longitudinal velocity reaches a maximum value of 25.48 cm / s is located on the outside of the bend. The difference velocity value on the channel upstream and downstream channel bends is influenced by the presence of the transverse velocity resulting from the existence of a bend. The state of flow in the upstream bend channel 120o is influenced by the upstream bend at an angle of 65o causing the channel before it turns into not uniform. Velocity vector indicates the presence of a secondary vortex that is the influence of the bend. Secondary vortex caused by the transverse velocity or the velocity of the secondary and potentially cause erosion of the channel walls. Keywords: Chanel Bend, Acoustic Doppler velocimeter, Velocity distribution. PENDAHULUAN kecepatan normal pada belokan terdapat Seorang ilmuan Christian Doppler kecepatan transversal yang menimbulkan pada tahun 1842 memperkenalkan hukum aliran sekunder pada saluran. aliran fisika yang berhubungan dengan sekunder merupakan fenomena yang gelombang bunyi yang dikenal dengan mengakibatkan adanya potensi erosi pada Efek Doppler. Transmitter merupakan dinding saluran. bagian dari ADV yang berfungsi Distribusi Kecepatan mengeluarkan gelombang dengan Di dalam saluran terbuka adanya frukuensi tertentu kemudian dipantulkan permukaan bebas dan gesekan pada dan ditangkap oleh receiver. Perubahan dinding sepanjang saluran terbuka sumber frekuensi yang diterima oleh menyebabkan pembagian kecepatan yang receirver dapat mengetahui kecepatan dari tidak sama dalam penampang saluran. sample volume. Kecepatan pada dinding atau dasar saluran Pada aliran pada saluran terbuka sama dengan nol, sedangkan kcepatan maupun tertutup, keadaan aliran pada maksimumnya tidak tejadi pada semua saluran akan mengalami permukaan bebas, tetapi terjadi di bawah perubahan. Perubahan tersebut dapat permukaan bebas sedalam 0.05h sampai terjadi karena adanya perubahan bentuk 0.25h. penampang ataupun perubahan bentuk Kecepatan aliran juga tergantung dari saluran. Hal ini mengakibatkan pada beberapa faktor lainnya yaitu bentuk keadaan aliran juga berubah misalnya penampang saluran kekasaran saluran. perubahan tinggi muka air atau perubahan Kecepatan maksimum pada permukaan kecepatan aliran..Tujuan dari penelitian bebas terjadi pada saluran yang kali ini diantaranya , mengetahui keadaan mempunyai arus yang besar atau deras dan distribusi aliran pada saluran sesudah dangkal serta saluran yang memiliki dasar belokan, membandingkan distribusi saluran yang licin. Kekasaran pada kecepatan pada saluran sebelum dan saluran penyebab pertambahan sesudah belokan, membandingkan hasil kelengkungan kurva dalam pembagian pengukuran ADV dengan rumus teoritik, kecepatan vertikal yang dapat dilihat pada dan mengetahui arah vektor kecepatan Gambar 1. pada saluran sebelum dan sesudah belokan guna mengetahui daerah yang 1.0 berpotensi erosi tebing. TINJAUAN PUSTAKA Saluran Belokan . Fenomena yang terjadi pada belokan saluran akan mempengaruhi perubahan -0.2 pada saluran sesudah belokan. Kecepatan aliran air pada belokan di lapisan dekat dengan permukaan akan lebih besar dari kecepatan rata-rata pada suatu arah Uniform vertikal, sedangkan untuk lapisan yang Non Uniform Accelerating mendekati dasar kecepatan air yang terjadi Non Uniform Decelerating lebih kecil dari kecepatan rata-rata. Gambar 1. Distribusi kecepatan Dengan demikian pada belokan akan Sumber : (Graff:1998) terjadi aliran spiral dalam arah potongan Pada daerah tikungan kecepatan melintang. Aliran spiral berkaitan dengan akan semakin meningkat dan gerakan-gerakan partikel-partikel air menimbulkan gaya sentrifugal pada sepanjang lintasan helikal searah dengan aliran. Sedangkan angin pada permukaan arah umum aliran. Selain komponen bebas memiliki pengaruh yang kecil dalam pembagian kecepatan. Dalam Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) penelitian di laboratorium menyatakan Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) bahwa aliran di saluran prismatis yang merupakan produk dari SonTek, San lurus memiliki kecepatan tiga dimensi Diego, USA. Acoustic Doppler Veloci- yaitu kecepatan aliran longitudinal (u), meter (ADV) bekerja sesuai dengan kecepatan aliran trasversal (v), dan hukum fisika Efek Doppler dengan tingkat kecepatan aliran vertikal (w). ketelitian 99%. Cara kerja alat ini dengan Persamaan Teoritis Distribusi mengukur selisih frekuensi yang Kecepatan dipancarkan transmitter ADV dan Distribusi vertikal kecepatan aliran frekuensi yang diterima receiver ADV. sebelum dan sesudah belokan Gambar 2. Menjelaskan bagaimana smenggunakan konsep mixing length yang cara kerja ADV dimana Receiver dengan diusulkan oleh Prantl Sampling Volume berjarak kurang lebih 5 Persamaan Von karman cm, sehingga jarak minimum yang dapat diukur dari permukaan air sekitar 5 cm – Distibusi kecepatan menurut Von 10 cm. Dalam Acoustick Doppler Karman sebagai berikut: Velocimeter (ADV) terdapat emitter yang u(z)=u∗ {√1 − z − √1 −z0+ln [1− √1 − hz ]} berfungsi memancarkan gelombang κ h h 1 − √1 −z0 acoustic dan receiver yang berfungsi h dengan: untuk menerima gelombang acoustic yang u = kecepatan (cm/s) dipantulkan oleh pergerakan aliran. Prinsip kerja receiver dalam pengukuran z = titik pengukuran dari dasar (cm) pada ADV dapat diilustrasikan sebagai h = tinggi muka air (cm) berikut u* = Kecepatan geser (cm/s) = Koefisien Kappa (0.4) Persamaan Logaritmik Distibusi kecepatan menurut Logaritmik sebagai berikut: u (z) 1 z = ln( ) u∗ k z 0 Pada persamaan Logaritmik dikem- bangkan sehingga ada penambahkan dengan nilai intergrasi sesuai dengan jenis hidrolik dimana untuk aliran transisi nilai hidrolik beraitan dengan hubunga k dan s lapisan batas. Sehingga persamaan Gambar 2. Sketsa Pengukuran kecepatan menjadi: menggunakan ADV u (z) 1 z = ln( ) + c Sumber :Laboratory USE(1994:352) 1 u∗ κ ks METODOLOGI PENELITIAN Nilai c merupakan fungsi dari k /δ seperti 1 s Lokasi Penelitian yang dinyatakan pada Tabel 1. Penelitian dilakukan di Laboratorium Tabel 1. Bilangan konstan tambahan Hidrolika terapan, Jurusan Teknik Pengai- dalam persamaan distribusi kecepatan ran Fakultas Teknik Universitas Brawi- untuk aliran transisi jaya. Penelitian dilakukan pada saluran/ K/δ 0.26 0.52 0.78 0.86 2.6 5.2 ≥8.0 s flume berupa dasar tetap atau fixed bed c1 6.8 7.8 9.3 9.5 9.3 9.0 8.5 dengan sudut 120o, dengan saluran lurus Sumber : Raju(1981:25) sebelum belokan sepanjang 300 cm dan saluran setelah belokan sepanjang 200 cm. Pengukuran Inisiasi terjadi pada daerah belokan tidak terjadi Sebelum pengukuran dilaksanakan, sehingga debit dibawah 20 liter/s tidak dilakukan pengukuran inisiasi terlebih dapat digunakan dan apabila mengguna- dahulu. Pengukuran ini merupakan kan debit di atas 20 liter/s super elevasi pengukuran awal sebelum pengukuran pada saluran belokan terlihat , namun alat penelitian dilakukan. Hal ini bertujuan ADV tidak dapat mendukung karena untuk menentuan debit yang dialirkan diperoleh nilai SNR < 15 dan nilai korelasi dalam penelitian, mengaturan sampling dibawah 70%. Sehingga digunakan debit rate ADV dan velocity range,serta jumlah sebesar 20 liter/s karena memenuhi data yang digunakan dalam pengukuran. beberapa faktor di atas. Dalam pengukuran inisiasi ditentukan Penentuan velocity range dan ketetapan nilai velocity range dan sampling rate sampling rate yang akan digunakan dalam Pada pengukuran inisiasi telah pengukuran.. Penentuan nilai velocity dilakukan beberapa percobaan dalam range dan sampling rate ditinjau dari nilai penentuan velocity range dan sampling SNR dan korelasi, hal ini dapat dilihat bila rate yang akan digunakan dalam data yang telah direcord memenuhi nilai penelitian dalam pengambilan jumlah SNR>15 dan korelasi antra 70%-100%. data. Dari beberapa percobaan dengan menggunakan debit 20 liter/s telah PEMBAHASAN ditentukan velocity range yang digunakan Pengukuran Inisiai sebesar 100 cm/s dan sampling rate Penentuan Debit sebesar 25 Hz. Tampilan data yang baik Penentuan debit dilakukan dengan bila nilai korelasi lebih dari 70% dan nilai menggunakan beberapa faktor yang harus SNR >15 dB . Gambar 3 menjelaskan diperhatikan yaitu tinggi muka air yang bahwa dengan pengaliran debit 20 dengan diharapkan sebesar minimal 15 cm, nilai penentuan velocity range yang digunakan SNR dan korelasi dalam pembacaan ADV sebesar 100 cm/s dan sampling rate serta melihat adanya fenomena super sebesar 25 Hz mana Gambar 3 elevasi yang terjadi pada belokan. Setelah menunjukan nilai korelasi lebih dari 70% melakukan beberapa percobaan aliran dan SNR>15 dB. debit maka diperoleh, bila menggunakan debit dibawah 20 liter/s super elevasi yang Gambar 3. Tampilan real time data hasil pengukuran dengan ADV Penentuan jumlah data jumlah data dibutuhkan 15.000 data. Pengukuran inisiasi pada penentuan Berdasarkan pengolahan data dari data jumlah data dilakukan pada Section C60 pengambilan pengukuran inisiasi R100 pada z = 4.4 cm, dalam penentuan diperoleh grafik pada gambar dibawah ini: Deviasi (Δ) = 1,47 % Deviasi (Δ) = 0,25 % u rerata = 18.319 cm/s Data Konstan Data Fluktuatif Gambar 4. Distibusi Kecepatan Longitudinal Gambar 4 merupakan olahan data untuk menentukan jumlah data yang nantinya akan digunakan dalam pengam- bilan sampel pada penelitian. Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa jumlah minimal 5000 data dapat mewakili data selanjutnya, selain itu durasi untuk pengambilan 5000 data membutuhkan waktu selama 200 detik atau sekitar 3,33 menit dalam pengambilan data tiap titik pengukuran. Pengolahan data pengukuran Acoustic Doppler Velocimeter Pada saluran sebelum belokan terdapat dua section dengan jarak 25 cm tiap Sectionnya. Setiap section terdapat 3 profil dalam pengukuran yaitu kiri dengan jarak 5 cm dari dinding saluran bagian kiri, kanan dengan jarak 5 cm dari dinding saluran bagian kanan, dan profil tengah Gambar 5. Distribusi kecepatan longitu- berada tepat pada tengah saluran. dinal Gambar 5 menunjukkan kecepatan Secara teoritis kecepatan aliran pada longitudinal pada saluran sebelum saluran lurus bersifat uniform namun pada belokan diperoleh grafik sebagai berikut: penelitian menunjukkan kecepatan sepan- jang saluran sebelum belokan 120o memiliki nilai kecepatan tidak sama sepanjang saluran hal ini disebabkan karena adanya pengaruh belokan hulu dengan sudut 65o. Pada saluran sesudah belokan terdapat tiga section yang dianalisa yang memiliki jarak 25 cm tiap section. Terhitung dari section CC yang berjarak 25 cm dari outlet belokan 120o, Section CD berjarak 25 cm dari Section CC, dan Section E berjarak 25 cm dari Section CD. Dengan panjang saluran sesudah belokan 300 cm. Gambar 6 menunjukkan kecepa- tan longitudinal pada saluran sesudah belokan diperoleh grafik sebagai berikut: Gambar 6. Distribusi kecepatan longitu- dinal Tabel 2 menunjukkan pesentase perbedaan perubahan yang terjadi pada saluran sebelum dan sesudah beloan 120o. Tabel 2. Persentase perbedaan kecepatan rata-rata sebelum dan sesudah belokan 120o Section Pengukuran Persentase Profil Sebelum Belokan Sesudah Belokan Perubahan Keterangan. 120 120 cm/s cm/s % Kecepatan Logitudinal Rata-rata Kiri 30,950 18,721 39,511 Penurunan Tengah 24,832 20,772 16,350 Penurunan Kanan 16,1125 17,863 9,802 Kenaikan Kecepatan Transversal Rata-rata Kiri 0,455 2,146 78,816 Kenaikan Tengah 1,070 1,560 31,406 Kenaikan Kanan 1,387 1,559 11,040 Kenaikan Sumber: Hasil perbandingan Ditinjau dari Gambar 5 dan Gambar 6 profil kanan memiliki nilai kecepatan hasil nilai kecepatan longitudinal dari longitudinal paling besar. setiap profil pada masing-masing Section Sedangkan pada saluran sesudah dan dari hasil grafik kecepatan di atas belokan 120o kecepatan maksimal dapat dianalisa bahwa kecepatan longitudinal terdapat pada profil kanan. longitudinal saluran sesudah belokan pada Selain itu kecepatan di saluran sesudah bagian profil kiri untuk semua Section belokan memiliki nilai yang lebih kecil memiliki nilai yang lebih rendah dari kecepatan aliran sebelum belokan dibandingkan dengan profil tengah dan 120o. Namun Kecepatan aliran di saluran profil kanan. Sedangkan pada bagian sesudah belokan 120o lebih stabil antara tiap profilnya dibandingkan dengan Perhitungan Kecepatan Geser kecepatan aliran di saluran sebelum Metode Clauser merupakan metode belokan 120o. dimana perhitungan tegangan geser Distribusi kecepatan aliran secara diperoleh dari data pengukuran distribusi teoritis kecepatan dan dihubungkan dengan Pengolahan distribusi kecepatan hukum distribusi kecepatan logaritmik secara teoritis memiliki banyak factor atau oleh Prandtl. Metode Clauser merupakan perhitungan pendukung yang perlu metode yang sangat teliti dan relatif dilengkapi guna proses pengolahan dalam mudah. Namun data distribusi yang perhitungan distribusi kecepatan secara digunakan alam penelitian ini merupakan teoritis. Faktor yang perlu diperhitungkan data distribusi kecepatan dekat dengan yaitu perhitungan kekasaran saluran (k ), dasar atau inner region z/h≤0,2 dari dasar, s dan kecepatan geser (u ). Berikut selain itu data yang distribusi kecepatan ∗ perhitungan untuk mendukung perhitu- harus sesuai dengan hukum distribusi ngan distribusi kecepatan seccara teoritis: kecepatan logaritmik. Penentuan k Persamaan logaritmik yang s Kekasaran saluran yang biasa disebut digunakan untuk distribusi kecepatan dengan ks dalam penelitian kali ini inner region sebagai berikut: diperoleh dari perhitungan dari nilai u(z) 1 z = ln( )+Br Chezy . Dengan debit aliran sebesar 0,020 u κ ks ∗ m3/s, kedalaman aliran 0,169 m, dan lebar Sehingga diperoleh nilai kecepatan geser saluran 0,5 m, maka diperoleh kecepatan tiap profil dengan menggunakan metode rata-rata aliran sebesar (U) = 0,236 cm/s. Clauser sebagai berikut: Dari hubungan nilai kecepatan dengan Tabel 3.Hasil perhitungan kecepatan geser koefisien Chezy dengan persamaan Kecepatan Kecepatan sebagai berikut: Section Profil Geser (u*) Rerata (u) cm/s cm/s U = C . √𝑅 .𝑆 Kiri 0,860 31,597 Dengan jari-jari hidrolis (R) = 0,101 m CA Tengah 0,579 24,944 dan kemiringan dasar saluran 1,9.10-4 Kanan 0,668 17,628 maka diperoleh nilai koefisien Chezy Kiri 0,680 30,303 sebesar 53,799 m1/2/s. CB Tengah 0,956 24,720 Penentukan nilai ks diperoleh dari Kanan 0,607 14,597 hubungan nilai Chezy dengan ks dengan Kiri 0,595 19,222 asumsi hidrolik kasar diperoleh dengan CC Tengah 0,415 21,336 persamaan sebagai berikut: Kanan 0,417 24,103 12 R Kiri 0,483 19,222 C = 18 log ( ) CD Tengah 0,625 21,336 ks dengan nilai k coba-coba hingga nilai Kanan 0,241 24,103 s kecepatan rerata tampang sama dengan Kiri 0,746 17,720 perhitungan awal, sehingga diperoleh k = CE Tengah 0,421 19,644 s Kanan 0,285 23,248 0.00124 m = 0.124 cm. Sumber : Hasil Perhitungan Guna mengetahui jenis aliran untuk Perhitungan Distribusi Kecepatan menentukan persamaan yang sesuai dalam Untuk mengetahui bagaimana perhitungan teoritis maka perlu perbandingan distribusi kecepatan secara mengetahui jenis hidrolik aliran. Dengan teoritis dan ADV maka digunakan kedua beberapa parameter menurut beberapa persamaan yaitu persamaan Von Karman sumber maka diperoleh jenis hidrolik dan Logaritmik. transisi. o Dari persamaan Von Karman dapat dilihat hasil sebagai berikut: CB z 1− √1 − u∗ z z h u(z)= √1 − − √1 − 0+ ln κ h h 1 − √1 −z0 h Dari data Section CA profil kiri didapat kedalaman aliran sebesar 16,4 cm. Dengan menggunakan titik pengukuran 0,328 cm. dengan kemiringan 1,9 x 10-4 , kecepatan geser 0.859 cm/s, z sebesar 0 0,005 cm dan viskositas 0.829 x 10-2 cm2/s serta menggunakan konstanta kappa () sebesar 0,4. Maka diperoleh hasil dari kecepatan pada titik pengukuran 0,328 CC sebesar 8,948 cm/s. o Untuk Persamaan Logaritmik diperoleh u (z) = u∗ ln(z) + c1 k z0 Dari data Section CA profil kiri didapat kedalaman aliran sebesar 16,4 cm. Dengan menggunakan persamaan Logaritmik untuk titik pengukuran (z) 0,328 cm. dengan kemiringan 1.9 x 10-4 , kecepatan geser 0.859 cm/s, z sebesar 0 0,005 cm dan viskositas 0.829 x 10-2 cm2/s CD serta menggunakan konstanta kappa () sebesar 0,4. Dengan menggunakan hubungan Sehingga perhitungan kecepatan distribusi Ks/δ maka diperoleh nilai c =1.082. 1 Sehingga hasil dari persamaan Logaritmik diperoleh kecepatan pada titik pengukuran 0,328 sebesar 18.409 cm/s. Perbandingan Teoritis dapat dilihat pada gambar sebagai berikut: CE CA Data ADV Von Karman Logaritmik Gambar 7. Perbandingan distribusi kece- patan.
Description: