Hidraulika Saluran Terbuka
Pendahuluan
Djoko Luknanto
Jurusan Teknik Sipil dan Lingkungan
FT UGM
Pendahuluan
Pengaliran saluran terbuka:
pengaliran tak bertekanan
pengaliran yang muka airnya berhubungandengan udara luar
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
2
 
arah s
A
Tampang
Lintang
Jenis pengaliran pada Saluran Terbuka 1
A.Ditinjau dari Aspek Waktu
1.Pengaliran Langgeng/Permanen/Tunak/Steady Flows:QVhy tidak berubah sepanjang waktu tinjauan:
11 September 2008
3
luknanto@ugm.ac.id
waktu
Debit
m3/d
saluran irigasi
Q
Q
tunak
tunak
tunak
tunak
Jenis pengaliran pada Saluran Terbuka 2
A.Ditinjau dari Aspek Waktu
2.Pengaliran Tidak Langgeng/Tidak Permanen/TakTunak/Unsteady FlowsQVhy berubah sepanjangwaktu tinjauan: 
11 September 2008
4
luknanto@ugm.ac.id
waktu
Debit
m3/d
debit banjir
di sungai
Q puncak
Q
Q
Jenis pengaliran pada Saluran Terbuka 3
B.Ditinjau dari Aspek Ruang
1.Pengaliran Beraturan/Seragam/Uniform Flows:QVhy tidak berubah sepanjang kawasantinjauan:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
5
Q
misal: kedalaman air tidak berubah, h ≠ h(s)
dasar sungai
Jenis pengaliran pada Saluran Terbuka 4
B.Ditinjau dari Aspek Ruang
2.Pengaliran Tidak Beraturan/TidakSeragam/Non-uniform FlowsQVhyberubah sepanjang kawasan tinjauan:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
6
Q
misal: kedalaman air berubah, h = h(s)
dasar sungai
Pengaliran tidak seragam
2.Non-uniform flows diklasifikasikan menjadi
a)Gradually varied flows (GVF)
b)Rapidly varied flows (RVF)
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
7
b
b
b
b
b
b
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
Jenis pengaliran pada Saluran Terbuka 5
C.Ditinjau dari aspek kecepatan rerata
1.Pengaliran mengalir (subcritical flow):V < Vkr
2.Pengaliran kritik(critical flow):V = Vkr
3.Pengaliran meluncur (supercritical flow):V > Vkr
Catatan: Vkr adalah kecepatan aliran pada saatenergi aliran minimum (akan dijelaskan kemudian)
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
8
Pengaliran Permanen Beraturan
Sifat pengaliran:
Luas tampang lintang tidak berubah sepanjangruang dan waktu.
Kecepatan aliran konstan, sehinggapercepatannya a = 0.
Menurut Hukum Newton
F = ma = 0, sehingga
gaya pendorong = gaya penahan aliran.
Akan diteliti gaya-gaya yang bekerja padaaliran.
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
9
P
P
P
P
Gaya-gaya yang bekerja 1
Gaya Penggerak:komponen gaya berat G sin 
Komponen gaya beratG cos ditahan oleh dasar saluran.
Tekanan hidrostatika saling meniadakan.
Gaya Penahan: τ0, gaya gesek aliran dengan dinding.
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
10
, kemiringan dasar
V
V
I
I
Ia
Ia
Ie
Ie
G
G
G sin
G sin
G cos
G cos
τ0
τ0
h
h
dx
dx
Gaya-gaya yang bekerja 2
Gaya Penggerak:komponen gaya berat G sin 
Gaya Penahan: τ0, gaya gesek aliran dengandinding sekelilingnya.
Karena F = 0, maka
Gaya penggerak = gaya penahan
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
11
Gaya-gaya yang bekerja 3
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
12
Tegangan Gesek
Rumus tegangan geser dikelompokkan sebagaiberikut:
Ruas kanan tergantung dari geometri sungai akan dipengaruhi oleh kecepatan rerata aliran;sehingga:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
13
Notasi yang digunakan
Ie = kemiringan garis energi
R = A/P, radius hidraulik
A = Luas penampang basah
P = keliling penampang basah
τ0 = tegangan gesek (tiap satuan luaskeliling basah)
ρ = rapat massa air
g = percepatan gravitasi
Catatan:
Jika θ kecil, maka sin θ tan θ = Ie
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
14
A
A
P
P
Rumus Kecepatan Rerata Chezy
Penelitian empiris korelasi RIe vs V kemudianbanyak dilakukan oleh para peneliti, antara lain:
Menurut de Chezy (1775)
bentuk terakhir ini terkenal dengan nama rumuskecepatan rerata aliran Chezy
dengan C disebut koefisien kekasaran Chezydengan satuan L½T-1 dalam metrik m½/detik.
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
15
Rumus Kecepatan Rerata Manning
Menurut Gauckler-Manning (1890)
bentuk terakhir ini terkenal dengan nama rumuskecepatan rerata aliran Manning untuk sistem SI.
dengan n disebut koefisien kekasaran Manningtanpa satuan.
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
16
Rumus Kecepatan Rerata Strickler
Menurut Strickler
bentuk terakhir ini terkenal dengan nama rumuskecepatan rerata aliran Strickler untuk sistem SI.
dengan ks disebut koefisien kekasaran Stricklertanpa satuan.
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
17
Korelasi antar rumus kecepatan
Untuk sebuah sungai yang sama, ketigarumus kecepatan aliran tersebut harusmemberikan hasil yang sama.
Oleh karena itu diperoleh korelasi antara ke3 rumus tersebut sebagai berikut:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
18
Distribusi Kecepatan
Pada kondisi sungai di lapangan, sebenarnya jarangsekali ditemukan suatu aliran yang mempunyaikecepatan seragam.
Pada umumnya kecepatan aliran tidak sama disetiap titik pada sebuah tampang lintang.
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
19
Profil Kecepatan Aliran
Rumus kecepatan aliran rerata yangdibahas di depan, biasanya cukupmemadai untuk keperluanketekniksipilan.
Akan dibahas profil kecepatan aliransepanjang vertikal (kedalaman air)untuk:
aliran permanen beraturan
kasus laminer dan turbulen.
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
20
Profil V Aliran Permanen Seragam
Tegangan gesek pada aliran permanen danseragam:
Untuk aliran laminer (Re = VR/ν < 500)Tegangan geser menurut Newton:
Untuk aliran turbulen (Re = VR/ν > 600)Tegangan geser menurut Prandtl:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
21
Profil Kecepatan Aliran Laminer 1
Tegangan gesek pada aliran permanen dan seragamuntuk B = ∞, R = h:
dengan h kedalaman muka air total dan z adalahkedalaman air pada titik tinjauan.
Pers. (1) = (2), sehingga:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
22
Profil Kecepatan Aliran Laminer 2
Syarat batas, z = 0, uz = 0, jadi C = 0, sehingga
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
23
berbentuk parabola
Profil Kecepatan Aliran Laminer 3
Profil tegangan gesek
Profil kecepatan
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
24
h-z
h-z
z
z
τz
τz
h
h
h-z
h-z
z
z
uz
uz
h
h
V
V
Kecepatan Rerata Aliran Laminer
Debit aliran tiap lebar saluran  q = Q/B
untuk B = ∞:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
25
untuk B ≠ ∞:
Kecepatan rerata dihitung:
Profil Kecepatan Aliran Turbulen 1
Tegangan gesek pada aliran permanen dan seragamuntuk B = ∞, R = h, di dekat dasar:
Tegangan geser menurut Prandtl:
dengan  (mixing length) = z adalah konstantauniversal von Karman = 0,4; z adalah kedalamantitik yang ditinjau dari dasar saluran.
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
26
Profil Kecepatan Aliran Turbulen 2
Pers. (1) = (3), sehingga di dekat dasar berlaku:
disebut dengan hukum pembagian kecepatanuniversal Prandtl-von Karman, dengan kecepatangesek didefinisikan sebagai:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
27
Hukum Kecepatan Universal
Walaupun dijabarkan dekat dasar, namunhukum distribusi kecepatan universalPrandtl-von Karman berlaku untuk seluruhkedalaman air (h).
Hukum ini berlaku untuk aliran turbulen,maka pada daerah batas laminer (δ) dekatdasar hukum tersebut tidak berlaku.
Dari penelitian diperoleh bahwa:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
28
Lapis Batas Laminer
Nilai lapis batas laminer:
dengan
oμ = kekentalan dinamik (ML-1T-1) atau N detik/m2
oρ = rapat massa (ML-3) atau kgm/m3
oν = kekentalan kinematik (L2T-1) atau m2/detik
Nilai ν
t
oC
0
10
20
30
ν
10-6 m2/det
1,8
1,3
1,0
0,8
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
29
Kecepatan pada Batas Laminer 1
Tegangan gesek pada aliran permanen dan seragamuntuk B = ∞, R = h, pada lapis batas laminer:
Tegangan geser laminer menurut Newton:
Pers. (1) = (2), sehingga:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
30
Kecepatan pada Batas Laminer 2
Pada daerah batas laminer δ profil kecepatan linier:
Pada batas laminer, z = δ, nilai kecepatan:
Sesungguhnya perubahan kecepatan dari hukumlogaritmis menjadi linier tidak terjadi secaramendadak namun melalui transisi dari za dan zb.
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
31
Profil kecepatan Turbulen
Hukum kecepatan logaritmikPrandtl-von Karman (turbulen)
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
32
z
z
uz
uz
δ
δ
z0
z0
Pada lapis batas laminerdistribusi kecepatanlinier
Kurva transisi
dasar saluran
dasar saluran
Sifat Pengaliran Secara Hidraulika
Sifat pengaliran aliran permanen beraturansecara hidraulika dibedakan menjadi 2 yaitu
Hidraulika licin
Hidraulika kasar
Hukum kecepatan universal Prandtl-vonKarman mempunyai nilai z0 yang berbedauntuk kekasaran hidraulika yang berbeda.
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
33
Visualisasi Hidraulika Licin & Kasar
Hidraulika Licin
Hidraulika Kasar
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
34
Untuk saluran bersifat hidraulika licin
maka nilai:
dengan a adalah jejari dan k (=2a) adalahdiameter kekasaran butiran dasar saluransedangkan nilai:
biasa digunakandi Indonesia
biasa digunakandi Indonesia
Pengaliran Hidraulika Licin 1
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
35
Pengaliran Hidraulika Licin 2
Untuk kondisi ini, maka profil kecepatan:
Kecepatan rerata aliran dihitung dari rumus di atasdengan nilai z = 0,4h, sehingga diperoleh rumuskecepatan rerata:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
36
Pengaliran Hidraulika Kasar 1
Untuk saluran bersifat hidraulika kasar
maka nilai:
dengan a adalah jejari dan k (=2a) adalahdiameter kekasaran butiran dasar saluransedangkan nilai:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
37
Eropa
Eropa
USA
USA
Pengaliran Hidraulika Kasar 2
Untuk kondisi ini, maka profil kecepatan:
Kecepatan rerata aliran dihitung dari rumus di atasdengan nilai z = 0,4h, sehingga diperoleh rumuskecepatan rerata:
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
38
Rumus Coolebrook & White
Oleh Coolebrook & White kedua rumus di atasdigabung sebagai berikut:
Hidraulika licin:
Hidraulika kasar:
digabung:
atau
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
39
Nilai koefisien kekasaran Chezy
Rumus Coolebrook & White:
dibandingkan dengan rumus Chezy
maka diperoleh nilai koefisien Chezy:
atau
11 September 2008
luknanto@ugm.ac.id
40