ANALISIS KARAKTERISTIK ALIRAN DALAM BOKS BAGI PADA SISTEM IRIGASI PERPIPAAN
PUJI SULISTIONO
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul “Analisis Karakteristik Aliran dalam Boks Bagi pada Sistem Irigasi Perpipaan” adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, September 2013 Puji Sulistiono NIM. F451110121
RINGKASAN PUJI SULISTIONO. Analisis Karakteristik Aliran dalam Boks Bagi pada Sistem Irigasi Perpipaan. Dibimbing oleh M. YANUAR J. PURWANTO dan ERIZAL. Irigasi dengan sistem penyaluran tertutup menggunakan pipa sangat memungkinkan terjadinya sedimentasi di dalam pipa, oleh karena itu diperlukan desain perpipaan yang tepat agar sedimentasi di dalam pipa dapat seminimal mungkin. Boks bagi dalam jaringan irigasi tersier sangat penting selain untuk membagi air dengan debit yang proporsional ke petakan sawah juga berfungsi sebagai pengendali sedimen agar sedimentasi yang terjadi di pipa seminimal mungkin. Tujuan utama dari penelitian ini adalah merancang desain boks bagi pada saluran pipa PVC untuk lahan sawah beririgasi, sehingga nantinya akan dihasilkan: (1) Analisis karakteristik aliran dalam boks bagi pada saluran pipa yang paling optimal agar sedimentasi yang terjadi di dalam pipa seminimal mungkin; (2) Simulasi aliran untuk menganalisis sedimentasi dan karakteristik aliran dalam boks bagi pada sawah beririgasi perpipaan yang menggunakan air permukaan sebagai sumber air irigasinya; (3) Hubungan antara parameterparameter desain boks bagi dengan debit aliran berdasarkan diameter pipa inlet dan pipa outlet. Durst (2008) menjelaskan bahwa analisis dimensional adalah teori kesamaan dimana jika persamaan diferensial yang menjelaskan masalah aliran tidak diketahui. Penting diketahui bahwa analisis dimensional juga dapat digunakan ketika hubungan fisik antara jumlah yang tidak diketahui sama sekali. Boks bagi dibangun di antara saluran-saluran tersier dan kuarter guna membagibagi air irigasi ke seluruh petak tersier dan kuarter. Model boks bagi dibuat untuk melakukan simulasi aliran dalam pipa PVC dan boks bagi di saluran pipa kuarterner sehingga sama seperti yang terjadi pada keadaan sesungguhnya di lapangan. Dalam penelitian ini dibuat jenis model boks bagi untuk sistem irigasi perpipaan, yaitu boks bagi dengan penampang lingkaran. Analisis karakteristik aliran dalam boks bagi dilakukan dengan metode analisis dimensional. Pada tahap analisis dimensional untuk mengetahui karakteristik aliran dalam pipa PVC dan boks bagi dilakukan pemilihan besaranbesaran yang saling mempengaruhi dengan memilih satuan dasar yang menyatakan hubungan antara besaran-besaran tersebut. Pembuatan grafik dari data hasil simulasi model dan hasil validasi di lapangan yang nantinya dapat digunakan sebagai acuan dalam mendesain boks bagi pada jaringan irigasi yang menggunakan pipa PVC untuk sawah beririgasi perpipaan. Hasil dari grafik ini dapat digunakan untuk menentukan desain boks bagi pada jaringan irigasi tersier yang paling optimal sehingga dapat meminimalkan terjadinya sedimentasi di dalam pipa PVC.
Kata kunci:
boks bagi, sistem irigasi perpipaan, karakteristik aliran, analisis dimensional
SUMMARY PUJI SULISTIONO. Flow Characteristics Analysis in Division Box of Pipeline Irrigation System. Supervised by M. YANUAR J. PURWANTO dan ERIZAL. Irrigation with closed distribution system using pipes is possible to sedimentation in the pipes, therefore is necessary to design piping system so sedimentation in the pipes can be as minimal as possible. Division box in the tertiary irrigation network is very important in addition to divide discharge proportional to the field also as a sediment control that sedimentation in the pipe to a minimum. The main objective of this research is to design division box in the PVC pipe for irrigated paddy field, so that the results will be: (1) Flow characteristics Analysis in the division box for the most optimal pipeline so that the sedimentation in the pipe to a minimum; (2) Simulation to analyze the flow of sediment and flow characteristics in the piping irrigated using surface water as a source of irrigation water, (3) the relation between the design parameters of division box with the flow based on the diameter of the inlet pipe and outlet pipes. Durst (2008 ) explains that the similarity theory of dimensional analysis is that if the differential equations that describe the flow of the problem is unknown . It is important that dimensional analysis can also be used when the physical relation between the amount of which is not known at all . Division box built in the tertiary canals and the quarter in order to divide the irrigation water to all tertiary and quarter. Models of division box was made to simulate the flow in PVC pipe and division box in the same pipeline so that the quaternary as happened in the real situation on the field . In this research made the model of division box for irrigation piping systems with the circular cross section. Analysis of flow characteristics in the division box using the method of dimensional analysis. At the phase of dimensional analysis to determine the flow characteristics in PVC pipes and division box with choosing the basic unit of the relation between derivative quantities. The graphs of the data model and the simulation results in the field validation results that can be used as a reference in designing the division box in the irrigation network that uses PVC pipe for piping irrigated. Results of this graph can be used to determine the design of division box on tertiary irrigation network optimized so as to minimize the occurrence of sedimentation in the PVC pipe. Keywords: division box, pipeline irrigation system, flow characteristics, dimensional analysis
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2013 Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
ANALISIS KARAKTERISTIK ALIRAN DALAM BOKS BAGI PADA SISTEM IRIGASI PERPIPAAN
PUJI SULISTIONO
Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Teknik Sipil dan Lingkungan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
Penguji pada Ujian Tesis:
Dr. Ir. M. Yanuar J. Purwanto, MS Dr. Ir. Erizal, MAgr Dr. Satyanto K. Saptomo, STP, MSi
Judul Tesis : Analisis Karakteristik Aliran dalam Boks Bagi pada Sistem Irigasi Perpipaan Nama : Puji Sulistiono NIM : F451110121
Disetujui oleh Komisi Pembimbing
Dr. Ir. M. Yanuar J. Purwanto, MS Ketua
Dr. Ir. Erizal, MAgr Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi Teknik Sipil dan Lingkungan
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Satyanto K. Saptomo, STP, MSi
Dr. Ir. Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian: 21-06-2013
Tanggal Lulus:
PRAKATA Puji syukur dipanjatkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini dapat diselesaikan. Karya ilmiah ini berjudul: “Analisis Karakteristik Aliran dalam Boks Bagi pada Sistem Irigasi Perpipaan”. Pada kesempatan ini disampaikan ucapan terima kasih kepada Dr. Ir. M. Yanuar J. Purwanto, MS dan Dr. Ir. Erizal, MAgr selaku ketua dan anggota komisi pembimbing, Dr. Ir. Nora H. Pandjaitan, DEA selaku ketua program studi Teknik Sipil dan Lingkungan, I-MHERE B2c IPB selaku sponsor beasiswa penuh penulis dalam penyelesaian studi magister, serta pihak-pihak lain yang terkait, yang telah banyak memberikan informasi, pengetahuan, bimbingan, dan pengarahan sehingga penulisan karya ilmiah ini dapat diselesaikan dengan baik. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya. Semoga hasil penelitian dan karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, September 2013 Puji Sulistiono
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
1 PENDAHULUAN
1
Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian 2 TINJAUAN PUSTAKA Karakteristik Aliran Dalam Pipa Energi Aliran Dalam Pipa Kehilangan Head Mayor Analisis Dimensional Boks Bagi Skala Model dan Konstruksi Model Bilangan Froude 3 METODE Tempat dan Waktu Bahan dan Alat Kerangka Pemikiran Analisis Karakteristik Aliran dalam Boks Bagi 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Percobaan Sistem Irigasi Perpipaan Analisis Karakteristik Aliran Simulasi Karakteristik Aliran 5 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran
1 2 2 2 3 3 4 5 6 7 8 9 10 10 10 11 13 18 18 19 23 30 30 30
DAFTAR PUSTAKA
31
LAMPIRAN
33
RIWAYAT HIDUP
39
DAFTAR TABEL Satuan dan dimensi pada analisis dimensional fluida Parameter berpengaruh pada analisis dimensional karakteristik aliran pada pipa dan boks bagi Data hasil percobaan model sistem irigasi perpipaan di laboratorium Parameter dalam analisis dimensional pada pipa Parameter dalam analisis dimensional pada boks bagi Parameter simulasi dalam analisis karakteristik aliran dalam boks bagi Karakteristik aliran dalam boks bagi dari hasil simulasi
7 17 18 19 21 23 29
DAFTAR GAMBAR Aliran dalam pipa dan aliran dalam saluran lebar Aliran seragam dalam pipa Diagram Moody Boks bagi dengan tipe aliran proporsional (FAO, 1993) Model boks bagi pada sistem irigasi perpipaan Rancangan irigasi perpipaan di petakan sawah Diagram alir penelitian Analisis dimensional aliran pada tangki air (Durst, 2008) Analisis dimensional aliran pada pipa (Durst, 2008) Skema dan parameter dalam analisis dimensional karakteristik aliran air dalam boks bagi Grafik hubungan antara kekeruhan, slope, dan kecepatan aliran Parameter analisis karakteristik aliran dalam pipa Parameter analisis karakteristik aliran dalam boks bagi Hasil simulasi grup tak berdimensi D/x dengan variabel peubah x Hasil simulasi grup tak berdimensi ɛ/x dengan variabel peubah x Hasil simulasi grup tak berdimensi h/x dengan variabel peubah x Hasil simulasi grup tak berdimensi V/x3 dengan variabel peubah x Hasil simulasi grup tak berdimensi 1/Fr dengan variabel peubah x Hasil simulasi grup tak berdimensi 1/Re dengan variabel peubah x Nilai grup tak berdimensi (1/Fr) dan (1/Re) hasil simulasi dengan berbagai kecepatan aliran Nilai Bilangan Froude (Fr) dan Reynold (Re) berdasarkan grup tak berdimensi Π4 dan Π5 dengan berbagai kecepatan aliran
3 4 6 7 10 11 12 13 15 17 18 19 21 24 24 25 25 26 27 28 28
DAFTAR LAMPIRAN Diagram simulasi model sistem irigasi perpipaan Skema model sistem irigasi perpipaan Foto dokumentasi penelitian
32 33 34
1 PENDAHULUAN Latar Belakang Perkembangan teknologi pertanian serta kenyataan bahwa varietas tanaman modern menuntut pengelolaan air secara tepat guna, maka seluruh prasarana di daerah-daerah pertanian harus dikembangkan. Budidaya tanaman padi sawah tentunya tidak bisa terlepas dari masalah saluran irigasi, karena saluran irigasi berfungsi untuk menyuplai air bagi tanaman padi yang membutuhkan ketersediaan air yang cukup. Namun ironisnya kondisi irigasi yang ada untuk mengairi sawah pada umumnya cukup memprihatinkan. Selain sering terjadinya kerusakan, saluran irigasi juga terkesan tidak terawat sehingga pasokan air untuk lahan sawah menjadi sangat terbatas terutama pada saat musim kemarau ketika curah hujan rendah. Merencanakan dan membangun jaringan irigasi yang memadai sangat penting dalam rangka mengatasi persoalan pengairan yang dikeluhkan para petani padi sawah. Untuk mengatur aliran air dari sumbernya ke petak-petak sawah diperlukan pengembangan sistem irigasi di dalam jaringan petak tersier. Perencanaan jaringan irigasi tersier harus sedemikian rupa sehingga pengelolaan air dapat dilaksanakan dengan baik. Sistem pembagian air yang diterapkan merupakan masalah pokok sebelum jaringan tersier direncanakan. Dalam sistem pengaliran secara terus-menerus memerlukan pembagian air yang proporsional, jadi besarnya bukaan pada boks harus proporsional atau sebanding dengan daerah irigasi di sebelah hilir. Sawah beririgasi pada umumnya masih menggunakan saluran terbuka dan air permukaan sebagai sumber airnya. Hal ini sangat rentan sekali terhadap kehilangan air dalam proses distribusi air irigasi hingga sampai ke petakan sawah. Desain jaringan irigasi dengan menggunakan pipa PVC (Polyvinyl chloride) memiliki efisiensi tinggi terhadap kehilangan air jika dilakukan dengan desain yang tepat. Penggunaan pipa PVC sebagai pipa irigasi memiliki kelebihan karena kuat, tidak mudah pecah, dan tidak dapat berkarat. Sumber air irigasi pada umumnya adalah air permukaan dengan tingkat kekeruhan yang cukup tinggi pada saat-saat tertentu. Irigasi dengan sistem penyaluran tertutup menggunakan pipa sangat memungkinkan terjadinya sedimentasi di dalam pipa, oleh karena itu diperlukan desain perpipaan yang tepat agar sedimentasi di dalam pipa dapat seminimal mungkin. Boks bagi dalam jaringan irigasi tersier sangat penting selain untuk membagi air dengan debit yang proporsional ke petakan sawah juga berfungsi sebagai pengendali sedimen agar sedimentasi yang terjadi di pipa seminimal mungkin. Kajian mengenai karakteristik aliran dalam boks bagi pada suatu sistem irigasi perpipaan merupakan tahapan awal dalam mendesain boks bagi yang tepat. Dengan mengetahui karakteristik aliran dalam pipa yang kemudian masuk ke dalam boks bagi akan sangat mempengaruhi dalam perhitungan dan penentuan bentuk dari boks bagi, sehingga boks bagi tersebut dapat bekerja efektif dalam meminimalisasi sedimentasi di dalam pipa.
2 Perumusan Masalah Air irigasi yang digunakan pada sawah beririgasi perpipaan yang merupakan air permukaan dengan tingkat kekeruhan yang cukup tinggi sangat memungkinkan terjadinya sedimentasi di dalam pipa PVC. Sedimentasi di dalam pipa sangat dipengaruhi oleh tingkat kekeruhan dari air irigasi tersebut. Semakin tinggi tingkat kekeruhan air maka semakin tinggi pula jumlah sedimentasi yang terjadi di dalam pipa. Faktor kecepatan aliran di dalam pipa sangat berpengaruh terhadap laju sedimentasi yang terjadi. Semakin rendah kecepatan aliran di dalam pipa maka semakin tinggi pula laju sedimentasi yang terjadi di dalam pipa. Keadaan saat ini di lapangan pada lahan sawah beririgasi memiliki masalah sedimentasi di saluran irigasi yang menggunakan pipa, sehingga diperlukan desain boks bagi yang tepat pada sistem irigasi perpipaan untuk mengatasi masalah tersebut.
Tujuan Penelitian Tujuan utama dari penelitian ini adalah melakukan analisis karakteristik aliran dalam boks bagi yang berguna untuk mendapatkan rancangan desain boks bagi pada saluran pipa PVC untuk lahan sawah beririgasi. Penyusunan faktorfaktor sedimentasi dan karakteristik aliran pada boks bagi dilakukan untuk menentukan desain, dimensi, dan struktur terbaik dari boks bagi. Tujuan tersebut akan dilakukan dalam beberapa tahapan penelitian sebagai berikut: Analisis karakteristik aliran dalam boks bagi pada saluran pipa yang paling optimal agar sedimentasi yang terjadi di dalam pipa seminimal mungkin. Simulasi aliran untuk menganalisis sedimentasi dan karakteristik aliran dalam boks bagi pada sawah beririgasi perpipaan yang menggunakan air permukaan sebagai sumber air irigasinya. Hubungan antara parameter-parameter desain boks bagi dengan debit aliran berdasarkan diameter pipa inlet dan pipa outlet.
Manfaat Penelitian Fungsi boks bagi sebagai pembagi aliran ke petakan sawah dan struktur untuk meminimalisasi terjadinya sedimentasi di dalam pipa sangat dipengaruhi oleh desain dan lokasi boks bagi tersebut. Diperlukan perancangan desain dan penentuan letak boks bagi yang tepat pada saluran perpipaan untuk lahan sawah beririgasi agar sedimentasi yang terjadi di dalam pipa PVC seminimal mungkin dan debit aliran di pipa outlet sesuai dengan perencanaan desain jaringan irigasi.
3
2 TINJAUAN PUSTAKA Karakteristik Aliran Dalam Pipa Mekanika fluida adalah subjek dimana fenomena yang agak rumit banyak ditemui, sehingga sangat penting memahami beberapa deskripsi dan penyederhanaan dari beberapa aliran fluida khusus. Sebuah variabel dependen fluida secara umum bergantung pada tiga koordinat ruang dan waktu, misalnya, V (x, y, z, t). Aliran yang tergantung pada tiga koordinat ruang adalah aliran tiga dimensi, itu bisa menjadi aliran tetap (steady) jika waktu tidak terlibat. Dalam aliran dua dimensi variabel dependen tergantung pada dua variabel ruang, yaitu, p (r, Ɵ) atau V (x, y, t). Aliran satu dimensi adalah aliran yang kecepatannya tergantung pada satu variabel ruang termasuk aliran dalam pipa dan saluran, dua jenis yang paling banyak dipelajari. Untuk aliran dalam pipa panjang, kecepatan tergantung pada r jari-jari, dan dalam saluran lebar (plat paralel) itu tergantung pada y, seperti ditunjukkan pada Gambar 1. (Potter dan Wiggert, 2008)
Gambar 1 Aliran dalam pipa dan aliran dalam saluran lebar Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran yang digunakan untuk mengalirkan fluida dengan tampang aliran penuh (Triatmodjo, 1996). Fluida yang dialirkan 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. Karena mempunyai permukaan bebas, maka fluida yang dialirkan adalah zat cair. Tekanan di permukaan zat cair disepanjang saluran terbuka adalah tekanan atmosfer. Potter dan Wiggert (2008) juga menjelaskan bahwa aliran yang ditunjukkan pada Gambar 1 juga disebut aliran dimana profil kecepatan tidak berubah sehubungan dengan koordinat hilir. Menunjukkan bahwa aliran pipa yang ditampilkan adalah diameter hilir dari setiap perubahan dalam geometri, seperti pintu masuk, katup, siku, atau kontraksi atau ekspansi. Jika aliran belum berubah, medan kecepatan tergantung pada lebih dari satu koordinat ruang, seperti yang terjadi di dekat sebuah titik perubahan geometri. Aliran mungkin tidak tetap, yaitu mungkin tergantung pada waktu, seperti ketika sebuah katup dibuka atau ditutup. Gambar 2 menggambarkan tentang aliran seragam; profil kecepatan, dan sifat lainnya seperti tekanan, seragam di seluruh bagian pipa. Profil ini sering diasumsikan dalam masalah aliran pipa dan saluran karena lebih umum mendekati aliran turbulen.
4
Gambar 2 Aliran seragam dalam pipa Dalam aliran efek viskositas dapat sepenuhnya diabaikan tanpa efek signifikan pada solusi untuk masalah yang melibatkan aliran. Semua cairan memiliki viskositas dan jika efek viskos tidak dapat diabaikan, itu adalah aliran viskos. Efek viskos sangat penting dalam arus di dalam pipa dan pada banyak jenis aliran dalam saluran menyebabkan kerugian dan memerlukan pompa di jalur pipa panjang.
Energi Aliran Dalam Pipa Hukum kekekalan energi menyatakan energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan namun dapat diubah dari suatu bentuk ke bentuk lain. Energi yang ditunjukkan dari persamaan energi total di atas, atau dikenal sebagai head pada suatu titik dalam aliran steady adalah sama dengan total energi pada titik lain sepanjang aliran fluida tersebut. Hal ini berlaku selama tidak ada energi yang ditambahkan ke fluida atau yang diambil dari fluida. Konsep ini dinyatakan ke dalam bentuk persamaan yang disebut dengan persamaan Bernoulli seperti pada persamaan (1) atau (2). Persamaan ini digunakan jika diasumsikan tidak ada kehilangan energi antara dua titik yang terdapat dalam aliran fluida, namun biasanya beberapa head losses terjadi di antara dua titik. Jika head losses tidak diperhitungkan maka akan menjadi masalah dalam penerapannya di lapangan. (Potter dan Wiggert, 2008)
(1) dimana : p1 dan p2 V1 dan V2 h1 dan h2 ρ g
= = = = =
Tekanan pada titik 1 dan 2 (P) Kecepatan aliran pada titik 1 dan 2 (m/s) Perbedaan ketinggian titik 1 dan 2 terhadap datum (m) Massa jenis fluida (kg) Percepatan gravitasi (m/s2)
Persamaan di atas digunakan untuk menyelesaikan banyak permasalahan tipe aliran, biasanya untuk fluida incompressible tanpa adanya penambahan panas atau energi yang diambil dari fluida. Namun, persamaan ini tidak dapat digunakan untuk menyelesaikan aliran fluida yang mengalami penambahan energi untuk menggerakkan fluida oleh peralatan mekanik, misalnya pompa, turbin dan peralatan lainnya.
5 Kehilangan Head Mayor Aliran fluida yang melalui pipa akan selalu mengalami kehilangan tekanan (head). Hal ini disebabkan oleh gesekan yang terjadi antara fluida dengan dinding pipa atau perubahan kecepatan yang dialami oleh aliran fluida. Jika head loss dinotasikan dengan “hL” maka persamaan Bernoulli dapat ditulis menjadi persamaan baru, dirumuskan seperti pada persamaan (3). Head loss akibat gesekan dapat dihitung menggunakan rumus tersebut. (Potter dan Wiggert, 2008)
(2) dimana: hL = f = D = L = V = g =
Head loss karena gesekan (m) Koefisien gesekan Diameter dalam pipa (m) Panjang pipa (m) Kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa (m/s) Percepatan gravitasi (m/s2)
Diagram Moody telah digunakan untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida di dalam pipa yaitu dengan menggunakan formula yang dikembangkan oleh Swamee dan Jain untuk aliran pipa. Rumus tertentu yang dipilih tergantung pada informasi yang diberikan. Rumus berikut adalah untuk menentukan jumlah dalam jangkauan panjang aliran pipa. Formula ini tidak digunakan dalam panjang pipa yang pendek atau dalam pipa dengan banyak sambungan dan perubahan geometri. (Potter dan Wiggert, 2008)
(3)
(4)
(5)
6
Sumber: L.F. Moody, Trans. ASME, v. 66, 1944 dalam Potter dan Wiggert (2008)
Gambar 3 Diagram Moody
Analisis Dimensional Pada analisis dimensional dilakukan pemilihan besaran-besaran yang saling mempengaruhi dengan memilih satuan dasar yang menyatakan hubungan antara besaran-besaran tersebut. Analisis dimensional banyak digunakan pada bidang pindah panas, mekanika fluida atau bidang-bidang lain yang berkaitan dengan masalah keteknikan. Keuntungan dari analisis dimensional adalah mendapatkan persamaan empiris yang dapat digunakan pada berbagai kondisi dan skala. Durst (2008) menjelaskan bahwa analisis dimensional adalah teori kesamaan jika persamaan diferensial yang menjelaskan masalah aliran tidak diketahui. Penting diketahui bahwa analisis dimensional juga dapat digunakan ketika hubungan fisik antara jumlah tidak diketahui sama sekali. Analisis dimensional terbukti menjadi metode secara umum yang valid untuk mengenali struktur informasi dalam hubungan antara kuantitas fisik dengan cara yang tepat dan jelas. Dimulai dari kenyataan bahwa dalam ilmu alam kuantitatif jumlah deskriptif memiliki dimensi dan dapat dibagi ke besaran dasar dan besaran turunan. Dalam mekanika fluida, panjang, waktu dan massa merupakan besaran dasar sedangkan luas, volume, kecepatan, percepatan, tekanan, energi, densitas, viskositas dinamik dan viskositas kinematik, merupakan besaran yang diturunkan. Klasifikasi ini memiliki konsekuensi penting bahwa unit di mana besaran dasar yang diukur dapat dipilih secara independen, dan dari besaran itu bergantung yang
7 Tabel 1 Satuan dan dimensi pada analisis dimensional fluida Besaran Turunan
Satuan (SI)
Dimensi
Luas (A)
2
m
L2
Volume (V)
m3
L3
Kecepatan (v)
ms-1
LT-1
Tekanan (P)
kgm-1s-2
ML-1T-2
Energi (E)
kgm2s-2
ML2T-2
Densitas (ρ)
kgm-3
ML-3
Viskositas dinamik (μ)
kgm-1s-1
ML-1T-1
Viskositas kinematik (υ)
m-2s-1
L-2T-1
ditentukan oleh pilihan. Jadi, dengan unit meter (m), waktu (s) dan kilogram (kg) untuk besaran dasar, maka besaran yang diturunkan disajikan pada Tabel 1.
Boks Bagi Boks bagi dibangun di antara saluran-saluran tersier dan kuarter guna membagi-bagi air irigasi ke seluruh petak tersier dan kuarter. Perencanaan boks bagi harus sesuai dengan kebiasaan petani setempat dan memenuhi kebutuhan kegiatan operasi di daerah yang bersangkutan pada saat ini maupun kemungkinan pengembangan di masa mendatang. Tergantung pada air yang tersedia, boks bagi harus membagi air secara proporsional dan secara rotasi. Elevasi ambang dan muka air di atas ambang harus sama untuk semua bukaan pada boks. Untuk pemberian air secara rotasi, boks dilengkapi dengan pintu yang dapat menutup bukaan jika diperlukan. Pada jaringan irigasi padi dengan lahan yang relatif datar, perbedaan antara muka air maksimum di hulu bangunan sadap tersier dan elevasi sawah yang akan diairi sangat kecil. Gambar 4 menggambarkan tiga jenis boks bagi dengan beberapa tipe outlet dan inlet, baik berupa pipa maupun bukaan aliran biasa berbentuk weir.
Gambar 4 Boks bagi dengan tipe aliran proporsional (FAO, 1993)
8 Skala Model dan Konstruksi Model Ada dua jenis skala yang dapat digunakan dalam pemakaian skala model fisik hidraulika, yaitu skala model sama (undistorted model) dan skala model yang tidak sama (distorted model). Skala model sama adalah skala yang dipakai dalam pembuatan model dimana perbandingan skala mendatar dan skala tegak adalah sama. Sedangkan skala model yang tidak sama adalah perbandingan antara skala mendatar dan skala tegak yang tidak sama. Hubungan skala (scale relation) yang digunakan untuk pembuatan/perencanaan model fisik dibedakan menjadi dua kelompok (De Vries, 1977): 1. Scale Law: Hubungan antar skala parameter yang harus dipenuhi (dalam hal ini adalah Roughnes condition dan Froude condition). 2. Scale Condition: Hubungan antar skala parameter yang harus dipenuhi untuk menghindari scale effects (dalam hal ini adalah kriteria kesebangunan). Hubungan antara model dan prototipe dipengaruhi oleh hukum-hukum sifat sebangun hidraulika. Perbandingan antara prototipe dan model disebut dengan skala model. Dalam merencanakan suatu model terdapat sifat-sifat kesebangunan model, yang amat menentukan ketelitian model tersebut. Yang dimaksudkan dengan kesebangunan tersebut adalah: 1. Sebangun geometris, disebut juga dengan sebangun bentuk. Yaitu perbandingan antara ukuran analog prototipe dengan model harus sama besarnya. Perbandingan yang digunakan adalah panjang, luas dan volume. Semua ukuran pada titik sembarang di model dan prototipe harus mempunyai skala yang sama. Sebangun geometris sempurna tidak selalu mudah dicapai, sehingga kekasaran permukaan dari model yang kecil tidak mungkin merupakan hasil dari skala model, tetapi hanya dibuat permukaan yang lebih licin daripada prototipe. 2. Sebangun kinematis, yaitu sebangun gerakan. Perbandingan yang digunakan adalah waktu, kecepatan dan debit. 3. Sebangun dinamis, yaitu kesebangunan gaya-gaya yang terjadi bila gerakannya sebangun kinematis, dan rasio dari massa yang bergerak serta gaya penyebabnya sudah homolog besarnya. Jika gaya gravitasi dominan dalam suatu sistem, maka skala model yang dipakai berdasarkan bilangan Froude. Bilangan Froude harus sama antara model dan prototipe. Frm = Frp, dimana subskrip m dan p menunjukkan model dan prototipe. Dengan menganggap bahwa percepatan gravitasi adalah konstan di seluruh muka bumi, maka: Dalam hal ini Lr = Lm/Lp dinamakan skala geometri. Untuk suatu bangunan hidraulika berupa saluran pelimpah, maka yang menentukan keadaan aliran adalah bilangan Froude (Triatmodjo, 1996):
(6) dengan : v = Kecepatan aliran (m/s) g = Percepatan gravitasi (9,81 m/s2) h = Kedalaman aliran (m)
9 Pemilihan skala geometris model yang cocok tergantung pada tipe sistem fluida yang akan dikaji, dan tergantung pada ruang yang tersedia untuk membuat model, namun demikian persyaratan kesetaraan dinamis dapat dipakai juga untuk menentukan skala model. Sebagai contoh skala debit, memungkinkan untuk menentukan kisaran aliran dalam model yang harus dipakai untuk mensimulasi kisaran debit yang ada pada prototipe. Apabila hubungan antar skala dan kesebangunan telah dipenuhi, maka tingkat ketelitian perlu diperhatikan sehubungan dengan besarnya nilai skala yang digunakan. Pemilihan skala model umumnya didasarkan pada beberapa pertimbangan, yaitu tujuan dari pengujian, ketelitian yang diharapkan, fasilitas yang tersedia di laboratorium, serta waktu dan biaya yang tersedia.
Bilangan Froude Efek dari gaya gravitasi pada suatu aliran ditunjukkan dalam perbandingan gaya inersia dan gaya gravitasi. Perbandingan tersebut dinyatakan dalam Froude Number, dengan bentuk persamaan: Fr
Fr atau
(7)
Dimana : Fr = Froude Number V = kecepatan aliran rata-rata L= panjang karakteristik (m), untuk saluran terbuka L sama dengan kedalaman hidraulik (D) yaitu perbandingan luas permukaan aliran (A) dengan lebar permukaan atas (T) D : A/T Berdasarkan angka Froude number kondisi aliran digolongkan menjadi: a. Aliran sub kritis: terjadi pada bilangan F < 1 b. Aliran kritis: terjadi pada bilangan F = 1 c. Aliran super kritis: terjadi pada bilangan F > 1 Soekarno (2006) menyatakan bahwa setiap penambahan nilai Fr akan menurunkan harga L/h, dimana bila harga L tetap, maka harga h akan semakin naik seiring dengan bertambahnya bilangan Froude. Perubahan debit yang mengalir di hulu sangat mempengaruhi perubahan L/h, dimana untuk masingmasing sudut masuk menunjukkan kecenderungan perubahan kurva yang sedikit berbeda.
10
3 METODE Tempat dan Waktu Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Hidrolika dan Hidromekanika, Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan IPB. Kegiatan penelitian, proses pengolahan data, dan penyusunan laporan hasil penelitian dilaksanakan dari bulan Agustus 2012 sampai dengan Maret 2013.
Bahan dan Alat Dalam penelitian ini dibuat model boks bagi untuk sistem irigasi perpipaan, yaitu boks bagi dengan penampang lingkaran. Pada tahap ini dilakukan simulasi model sistem irigasi perpipaan di Laboratorium Hidrolika dan Hidromekanika, Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan IPB. Skema detail simulasi model sistem irigasi perpipaan dapat dilihat pada Lampiran 1, dengan model boks bagi disajikan pada Gambar 5.
Gambar 5 Model boks bagi pada sistem irigasi perpipaan
Proses pengukuran dan pengambilan data dalam penelitian ini dibutuhkan beberapa alat ukur, yaitu: o Meteran 5 m sebanyak 2 buah o Penggaris 50 cm sebanyak 4 buah o Gelas ukur 5 liter sebanyak 4 buah o Stopwatch sebanyak 2 buah o Timbangan sebanyak 2 buah o Turbidity meter 1 buah o Manometer 1 set Selain itu digunakan seperangkat komputer dengan aplikasi spreadsheet dan CAD untuk proses pengolahan data.
11 Kerangka Pemikiran Pembuatan model boks bagi pada rancangan sistem irigasi perpipaan perlu dilakukan untuk memudahkan dalam proses pengambilan data pada penelitian ini. Model boks bagi ini dibuat untuk melakukan simulasi aliran dalam pipa PVC dan boks bagi di saluran pipa kuarterner sehingga sama seperti yang terjadi pada keadaan sebenarnya di lapangan. Model aliran dalam pipa dan boks bagi dibuat sedemikian rupa sehingga dapat mensimulasi aliran kontinyu yang terjadi sama seperti aliran dalam pipa irigasi di sawah. Tingkat kekeruhan dan densitas air yang digunakan pun disesuaikan dengan kondisi riil di lapangan sehingga benar-benar mampu menggambarkan keadaan di lapangan. Dalam penelitian ini difokuskan pada kajian analisis karakteristik aliran dalam boks bagi yang merupakan bagian dari suatu sistem irigasi perpipaan. Fungsi boks bagi dalam suatu sistem irigasi perpipaan ini sangat penting, yaitu untuk meminimalisasi adanya sedimentasi di dalam pipa penyalur ditingkat kuarterner, dan juga membagi air secara proporsional ke petakan sawah. Skema sistem irigasi perpipaan di lapangan dapat dilihat pada Gambar 6, sedangkan diagram alir dari penelitian ini disajikan pada Gambar 7.
Gambar 6 Rancangan irigasi perpipaan di petakan sawah
12
Gambar 7 Diagram alir penelitian
13 Analisis Karakteristik Aliran dalam Boks Bagi Analisis karakteristik aliran dalam boks bagi dilakukan dengan metode analisis dimensional. Pada tahap analisis dimensional untuk mengetahui karakteristik aliran dalam pipa PVC dan boks bagi dilakukan pemilihan besaranbesaran yang saling mempengaruhi dengan memilih satuan dasar yang menyatakan hubungan antara besaran-besaran tersebut. Durst (2008) telah melakukan analisis pada aliran di dalam kontainer air dan di dalam pipa yang kasar. Metode ini juga akan digunakan untuk melakukan analisis karakteristik aliran dalam boks bagi pada saluran pipa kuarterner. Penyelesaian analisis dimensional dalam problema fisika terutama bidang mekanika fluida, matriks dimensi berikut dapat digunakan:
Matriks dengan ordo r = 3 dan n parameter berpengaruh, akan menghasilkan besaran nilai π = ( n - r ). Sebagai referensi dalam analisis dimensional pada boks bagi digunakan hasil analisis Durst (2008) pada aliran yang keluar dari tangki air dan aliran dalam pipa.
Gambar 8 Analisis dimensional aliran pada tangki air (Durst, 2008) Diagram alir penelitian Untuk analisis pada tangki air diperoleh bahwa nilai n = 6 parameter yang mempengaruhi, yaitu m = f (ρ, g, h, A, μ). Dengan penentuan atas besaran yang relevan untuk fluida yang mengalir keluar dari tangki air, sehingga dapat dibuat matriks dimensi sebagai berikut:
Dari matriks tersebut didapat hasil ordo r = 3 angka karakteristik tak berdimensi, yaitu π1, π2 dan π3.
14 Ditentukan turunan pertama adalah variabel m, maka diperoleh:
lalu didapatkan:
dimana π1 adalah bilangan Reynold (Re). Selanjutnya ditentukan turunan kedua adalah variabel A, maka diperoleh:
lalu didapatkan:
dimana π2 adalah bilangan kesamaan geometri. Lalu ditentukan turunan ketiga adalah variabel g sehingga diperoleh:
lalu didapatkan:
Dari hasil analisis dimensional didapat nilai π1, π2 dan π3 adalah:
15
Sehingga dari hasil yang diukur dapat dicapai untuk fungsi m = f (ρ, g, h, A, μ) yaitu nilai π1 sebagai bilangan Re dan nilai π2, π3 sebagai parameter. Analisis selanjutnya yang dilakukan Durst (2008) adalah analisis dimensional aliran pada pipa.
ϵ = kekasaran pipa
Gambar 9 Analisis dimensional aliran pada pipa (Durst, 2008) Diagram alir penelitian Parameter yang relevan untuk representasi dari masalah aliran melalui pipa kasar di atas ditentukan matriks dimensi sebagai berikut:
diperoleh nilai r = 3 dan n = 6. Ditentukan variabel U sebagai variabel turunan pertama, maka diperoleh:
lalu didapatkan:
16
Lalu menentukan dP/dx sebagai turunan konstanta kedua, maka diperoleh:
lalu didapatkan:
Selanjutnya menentukan ϵ sebagai variabel turunan ketiga, maka diperoleh:
lalu didapatkan:
Jadi dari hasil analisis dimensional ini didapat nilai π1, π2 dan π3 adalah:
Berdasarkan analisis dimensional yang telah dilakukan Durst (2008) tersebut maka akan dijadikan referensi dalam analisis dimensional terhadap karakteristik aliran air dalam boks bagi dengan parameter-parameter yang
17 berbeda. Penentuan variabel dan jumlah parameter Qn yang berpengaruh pada analisis dimensional boks bagi merupakan hipotesis dalam penelitian ini. Dalam hipotesis ini ditentukan empat arah aliran yang terjadi dalam boks bagi, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10 Skema dan parameter dalam analisis dimensional karakteristik aliran air dalam boks bagi Diagram alir penelitian Dalam analisis dimensional terhadap karakteristik aliran dalam boks bagi tersebut diperoleh beberapa parameter yang berpengaruh seperti disajikan pada Tabel 2. Dalam penentuan parameter ini diasumsikan bahwa beberapa parameter yang berpengaruh nilainya adalah sama pada setiap arah aliran. Tabel 2 Parameter berpengaruh pada analisis dimensional karakteristik aliran pada pipa dan boks bagi Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
U
D
x
h
ɛ
ρ
g
μ
V
M
0
0
0
0
1
1
0
1
0
L
1
1
1
1
0
-3
1
-1
3
T
-1
0
0
0
1
0
-2
-1
0
18
4 HASIL DAN PEMBAHASAN Percobaan Sistem Irigasi Perpipaan Dari hasil simulasi model sistem irigasi perpipaan di laboratorium diperoleh hasil bahwa tingkat kekeruhan air irigasi berbanding lurus dengan besarnya debit dan kecepatan aliran yang mengalir di dalam pipa. Semakin tinggi debit dan kecepatan dari aliran, semakin besar pula nilai kekeruhan dari air irigasi tersebut. Tingkat kekeruhan air irigasi yang semakin tinggi dipengaruhi oleh jenis aliran air yang mengalir, semakin aliran air mengalami turbulensi, kekeruhan air pun semakin tinggi, hal ini juga akan berpengaruh terhadap tingkat kemungkinan sedimentasi yang akan terjadi di dalam pipa. Tabel 3 Data hasil percobaan model sistem irigasi perpipaan di laboratorium Debit Inlet
% 0 0.05 0.1 0.25 0.5
Outlet
Pipa A
liter/detik liter/detik 1.45 0.93 1.03 0.94 1.03 0.95 1.03 0.94 1.03 0.94
mm 576 571 569 568 566
Head Kekeruhan Kecepatan Inlet Outlet Sumber Boks Outlet Pipa B Inlet Outlet Boks Boks Air Bagi Boks mm mm mm NTU NTU NTU m/detik m/detik 514 603 454 559 571 570 0.802 0.515 508 543 508 570 585 582 0.570 0.521 509 543 508 610 621 621 0.570 0.524 508 540 508 612 617 620 0.570 0.520 509 540 508 597 595 593 0.570 0.519
0.6
630
620
0.5 Slope
S = 4.54U - 2.18
Kekeruhan N = 4831.6U - 1914.5
610
Slope (%)
0.4 600 0.3 590 0.2
580 0.1
0 0.514
570
0.516
0.518
0.52 Kecepatan (m/s)
0.522
0.524
560 0.526
Gambar 11 Grafik hubungan antara kekeruhan, slope, dan kecepatan aliran
Kekeruhan (NTU)
Slope
19 Analisis Karakteristik Aliran Tahap pertama dilakukan analisis karakteristik aliran pada pipa yang memperhitungkan parameter berpengaruh dalam tahap analisis dimensional. Tahap analisis dimensional pada pipa ini dilakukan pada pipa inlet dan outlet. Ditentukan 8 parameter yang merupakan variabel berpengaruh terhadap karakteristik aliran pada pipa, yaitu: U (kecepatan aliran), D (diameter pipa), x (panjang pipa), h (head pada titik inlet dan outlet), μ (viskositas dinamik), ɛ (koefisien kekasaran pipa), ρ (massa jenis air), dan g (gravitasi).
Gambar 12 Parameter analisis karakteristik aliran dalam pipa Penentuan jumlah grup tak berdimensi (Π) menggunakan fungsi: i = n – r; dimana i adalah jumlah grup tak berdimensi independen, n adalah jumlah variabel yang terlibat, dan r adalah rank dari matriks dimensional, sehingga didapat jumlah jumlah grup tak berdimensi (Π) = 8 – 3 = 5 grup tak berdimensi, Π1, Π2, Π3, Π4, dan Π5. Dari kedelapan variabel berpengaruh ini ditentukan 3 variabel berulang yang paling berpengaruh terhadap desain boks bagi dalam fungsinya terhadap laju sedimentasi, yaitu U (kecepatan aliran), x (panjang pipa), dan ρ (massa jenis air), sehingga akhirnya akan didapat 5 grup tak berdimensi. Penentuan variabel U (kecepatan aliran) sebagai variabel berulang paling berpengaruh karena diasumsikan bahwa faktor kecepatan aliran dalam pipa akan mempengaruhi potensi dan laju terjadinya sedimentasi. Variabel x (panjang pipa) ditentukan sebagai variabel paling berpengaruh karena diasumsikan bahwa faktor panjang pipa ini akan mempengaruhi jumlah sedimen yang akan mengendap, sedangkan variabel ρ (massa jenis air) diasumsikan sebagai jumlah sedimen yang terlarut didalam air. Tabel 4 Parameter dalam analisis dimensional pada pipa Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
U
D
x
h
ɛ
ρ
g
μ
M
0
0
0
0
1
1
0
1
L
1
1
1
1
0
-3
1
-1
T
-1
0
0
0
1
0
-2
-1
20 Penentuan variabel-variabel dalam grup tak berdimensi (Π): Π1 = D Uα xβ ργ Π2 = ɛ Uα xβ ργ Π3 = h Uα xβ ργ Π4 = g Uα xβ ργ Π5 = μ Uα xβ ργ Setelah dilakukan analisis dimensional didapatkan nilai-nilai grup tak berdimensi yaitu sebagai berikut: Π1 = D U0 x-1 ρ0
= D x-1
=
Π2 = ɛ U0 x-1 ρ0
= ɛ x-1
=
Π3 = h U0 x-1 ρ0
= h x-1
=
Π4 = g U-2 x1 ρ0
= g U-2 x1
=
Π5 = μ U-1 x-1 ρ-1
= μ U-1 x-1 ρ-1
=
dimana diketahui: Π4 =
=
Π5 =
=
Analisis karakteristik aliran pada pipa ini perlu dilakukan untuk mengetahui kemungkinan terjadinya sedimentasi di dalam pipa dan faktor-faktor yang mempengaruhinya. Pipa diasumsikan sebagai salah satu bagian sistem yang terhubung dengan boks bagi yang merupakan salah satu fungsinya sebagai pengendali sedimen. Selain itu dengan mengetahui karakteristik aliran yang masuk ke dalam dan keluar dari boks bagi maka dapat dapat ditentukan ukuran dan jenis pipa yang tepat agar air yang dialirkan tetap sesuai dengan debit yang direncanakan. Berikutnya adalah menganalisis hubungan karakteristik aliran dalam pipa dengan dimensi ukuran dari boks bagi, yaitu pertama dengan menentukan
21 parameter yang berpengaruh dalam tahap analisis dimensional pada boks bagi. Dalam tahap analisis dimensional boks bagi ini dilakukan pada 4 titik pipa yaitu 1 pipa inlet dan 3 pipa outlet, dan diasumsikan parameter-parameter yang berpengaruh di keempat titik ini adalah sama, yang nantinya membedakan adalah besaran nilai dan arah alirannya. Ditentukan 9 parameter yang merupakan variabel berpengaruh terhadap desain boks bagi, yaitu: U (kecepatan aliran), D (diameter pipa), x (panjang pipa), h (head pada titik inlet dan outlet), μ (viskositas dinamik), dan V (volume air dalam boks bagi), ɛ (koefisien kekasaran pipa), ρ (massa jenis air), dan g (gravitasi).
Gambar 13 Parameter analisis karakteristik aliran dalam boks bagi Metode dalam analisis karakteristik aliran dalam boks bagi sama dengan analisis aliran dalam pipa, perbedaannya adalah dalam parameter ukuran dari boks bagi (V). Penentuan jumlah grup tak berdimensi (Π) menggunakan fungsi: i = n – r; dimana i adalah jumlah grup tak berdimensi independen, n adalah jumlah variabel yang terlibat, dan r adalah rank dari matriks dimensional, sehingga dalam analisis karakteristik aliran pada boks bagi ini didapat jumlah jumlah grup tak berdimensi (Π) = 9 – 3 = 6 grup tak berdimensi, Π1, Π2, Π3, Π4, Π5, dan Π6. Dari kesembilan variabel berpengaruh ditentukan 3 variabel berulang yang paling berpengaruh terhadap desain boks bagi dalam fungsinya terhadap faktor sedimentasi, yaitu U (kecepatan aliran), x (panjang pipa), dan ρ (massa jenis air), sehingga pada akhirnya didapat 6 grup tak berdimensi. Tabel 5 Parameter dalam analisis dimensional pada boks bagi Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
U
D
x
h
ɛ
ρ
g
μ
V
M
0
0
0
0
1
1
0
1
0
L
1
1
1
1
0
-3
1
-1
3
T
-1
0
0
0
1
0
-2
-1
0
22 Penentuan variabel-variabel dalam grup tak berdimensi (Π): Π1 = D Uα xβ ργ Π2 = ɛ Uα xβ ργ Π3 = h Uα xβ ργ Π4 = g Uα xβ ργ Π5 = μ Uα xβ ργ Π4 = V Uα xβ ργ Setelah dilakukan analisis dimensional didapatkan nilai-nilai grup tak berdimensi yaitu sebagai berikut: Π1 = D U0 x-1 ρ0
= D x-1
=
Π2 = ɛ U0 x-1 ρ0
= ɛ x-1
=
Π3 = h U0 x-1 ρ0
= h x-1
=
Π4 = g U-2 x1 ρ0
= g U-2 x1
=
Π5 = μ U-1 x-1 ρ-1
= μ U-1 x-1 ρ-1
=
Π6 = V U0 x-3 ρ0
= V x-3
=
dimana diketahui: Π4 =
=
Π5 =
=
Dari hasil analisis dimensi diketahui bahwa grup tak berdimensi Π 4 adalah Bilangan Froude yang merupakan bilangan tak berdimensi yang didefinisikan sebagai rasio dari karakteristik kecepatan aliran terhadap untuk kecepatan gravitasi di dalam aliran atau ekuivalen didefinisikan sebagai rasio inersia terhadap gaya gravitasi. Dalam mekanika fluida, bilangan Froude digunakan untuk menentukan resistansi suatu zat yang terlarut dan bergerak melalui air, dan memungkinkan perbandingan objek dengan ukuran yang berbeda, yang dalam hal
23 ini dapat digambarkan sebagai sedimen yang terlarut dalam aliran air. Semakin besar Bilangan Froude, semakin besar pula resistansi zat dalam aliran. Selain itu, dari hasil analisis dimensi juga diketahui bahwa grup tak berdimensi Π5 adalah Bilangan Reynold yang didefinisikan sebagai bilangan tak berdimensi yang memberikan ukuran rasio gaya inersia terhadap viskositas fluida yang mengakibatkan besaran gaya yang diberikan terhadap kondisi aliran. Bilangan Reynold ini juga digunakan untuk mengkarakterisasi jenis aliran yang berbeda, seperti laminar atau aliran turbulen: aliran laminar terjadi pada bilangan Reynolds rendah, dimana gaya viskositas yang dominan, dan ditandai oleh gerakan fluida yang konstan dan halus, sedang aliran turbulen terjadi pada angka Reynolds yang tinggi dan didominasi oleh gaya inersia, yang cenderung menghasilkan pusaran dan ketidakstabilan dalam aliran.
Simulasi Karakteristik Aliran Setelah diketahui hasil hubungan antara parameter-parameter yang saling berpengaruh dari analisis dimensional yang tergambarkan dalam grup-grup tak berdimensi, selanjutnya dilakukan simulasi untuk mengetahui karakteristik aliran yang terjadi di dalam boks bagi. Tabel 6 Parameter simulasi dalam analisis karakteristik aliran dalam boks bagi Parameter U kecepatan aliran dalam pipa D diameter pipa x panjang pipa ε koef. kekasaran pipa ρ massa jenis air g percepatan gravitasi V volume boks bagi h head pipa μ viskositas dinamik
Satuan m/s m m m kg/m3 m/s2 m3 m kg/ms
Nilai variabel peubah variabel peubah variabel peubah 0.0000015 1020 9.81 0.064 0.05 0.00000133
Simulasi ini dilakukan dengan mengubah parameter-parameter yang berpengaruh pada setiap grup-grup tak berdimensi sehingga diketahui karakteristik aliran dan hubungannya dengan proses sedimentasi yang terjadi, yang selanjutnya akan digunakan sebagai bahan analisis untuk mendesain boks bagi.
24 0.160 0.140
0.120
D/x
0.100
0.080 0.060
0.040 0.020 0.000 0
10
20
30 40 x, panjang pipa (m)
50
60
Gambar 14 Hasil simulasi grup tak berdimensi D/x dengan variabel peubah x
3.5E-06 3.0E-06
2.5E-06 ε/x
2.0E-06 1.5E-06
1.0E-06 5.0E-07 0.0E+00 0
10
20 30 40 x, panjang pipa (m)
50
60
Gambar 15 Hasil simulasi grup tak berdimensi ɛ/x dengan variabel peubah x
25 0.120 0.100
h/x
0.080 0.060 0.040 0.020 0.000 0
10
20
30 40 x, panjang pipa (m)
50
60
Gambar 16 Hasil simulasi grup tak berdimensi h/x dengan variabel peubah x Gambar 15, 16, dan 17 hasil simulasi Π1, Π2 dan Π3 menggambarkan tentang karakteristik aliran dalam pipa dan boks bagi, serta faktor sedimentasi yang dipengaruhi oleh parameter D/x, ε/x, dan h/x, yaitu bahwa rasio antara diameter dengan panjang pipa, rasio kekasaran permukaan dengan panjang pipa, serta rasio head dengan panjang pipa berpengaruh terhadap laju sedimentasi yang terjadi. Dalam simulasi ini digunakan diameter pipa sebesar 2 ½ inci dengan kekasaran permukaan 0.00000133 m, dengan panjang maksimal pipa 50 m dan beda head 0.05 m. Ketiga faktor ini akan menjadi faktor desain dalam mendesain boks bagi dengan tujuan untuk membuat kemungkinan sedimentasi yang terjadi di dalam pipa sekecil mungkin. 0.59
0.49
V/x 3
0.39 0.29
0.19 0.09 -0.01
0
10
20
30 40 x, panjang pipa (m)
50
60
Gambar 17 Hasil simulasi grup tak berdimensi V/x3 dengan variabel peubah x
26 Gambar 18 menunjukkan parameter tak berdimensi V/x3, yaitu rasio hubungan antara volume air yang mengalir ke boks bagi dengan panjang pipa, berpengaruh terhadap sedimentasi yang terjadi di dalam pipa dan besar volume air yang akan ditampung dalam boks bagi. Selanjutnya besar volume air ini dan laju sedimentasi yang terjadi di dalamnya akan menentukan dimensi dan bentuk dari boks bagi. 500
1/Fr = 4.90x - 4.86 450
400
350 1.00 m/s
1/Fr = 3.13x - 3.08 gx/U2 (1/Fr)
300
250
1/Fr = 2.17x - 2.12
1.25 m/s
200
1/Fr = 1.60x - 1.53
150
1.50 m/s
100
1.75 m/s
1/Fr = 1.22x - 1.14 2.00 m/s
1/Fr = 0.78x - 0.68
2.50 m/s
50
1/Fr = 0.54x - 0.43
3.00 m/s
0
1
5
10
14
19
23 28 x, panjang pipa (m)
32
37
41
46
50
Gambar 18 Hasil simulasi grup tak berdimensi 1/Fr dengan variabel peubah x Gambar 19 adalah hasil simulasi untuk grup tak berdimensi Π4 yang merupakan grup yang dipengaruhi oleh faktor kecepatan aliran (U), panjang pipa (x), dan percepatan gravitasi (g), dan dilakukan dengan merubah kecepatan aliran di dalam pipa. Dari hasil simulasi diketahui bahwa semakin besar nilai Π5, dengan kecepatan aliran di dalam pipa yang semakin kecil dan panjang pipa yang semakin panjang, maka kemungkinan sedimentasi yang terjadi di dalam pipa semakin besar. Hal ini sesuai dengan kaidah Bilangan Froude, yaitu semakin besar Bilangan Froude, semakin besar pula resistansi zat dalam aliran, tetapi karena dalam hal ini grup tak berdimensi Π4 merupakan nilai yang berbanding terbalik dari Bilangan Froude (1/Fr), semakin besar nilai Π4 maka semakin kecil resistansi zat dalam aliran, sehingga sedimentasi pun semakin besar, tetapi hal ini ditentukan juga oleh faktor kecepatan aliran (U) dan panjang pipa (x) seperti terlihat pada Gambar 18.
27 5.0E-10
4.0E-10
μ/Uxρ (1/Re)
3.0E-10
2.0E-10 1.00 m/s 1.25 m/s 1.50 m/s 1.75 m/s
1.0E-10
2.00 m/s 2.50 m/s 3.00 m/s
0.0E+00
0
5
10
15
20
25 30 x, panjang pipa (m)
35
40
45
50
Gambar 19 Hasil simulasi grup tak berdimensi 1/Re dengan variabel peubah x Gambar 20 adalah hasil simulasi untuk grup tak berdimensi Π5 yang merupakan grup yang dipengaruhi oleh faktor kecepatan aliran (U), panjang pipa (x), massa jenis air (ρ) dan viskositas dinamik air (μ). Simulasi ini dilakukan dengan merubah kecepatan aliran di dalam pipa dan dengan panjang pipa yang berbeda. Dari hasil simulasi diketahui bahwa semakin besar nilai Π 5, dengan kecepatan aliran di dalam pipa yang semakin kecil dan panjang pipa yang semakin panjang, maka kemungkinan sedimentasi yang terjadi di dalam pipa semakin kecil. Hal ini sesuai dengan kaidah Bilangan Reynold yang sangat mempengaruhi kondisi aliran, semakin tinggi Bilangan Reynold makan aliran yang terjadi akan semakin mengalami turbulensi dan kemungkinan terjadinya sedimentasi di dalam pipa pun semakin kecil. Sebaliknya semakin kecil nilai Bilangan Reynold maka aliran akan semakin tenang dan mendekati aliran laminar, dan ini membuat kemungkinan terjadinya sedimentasi di dalam pipa semakin besar. Nilai Π 5 ini merupakan nilai yang berbanding terbalik dengan nilai Bilangan Reynold, sehingga semakin besar nilai Π5 maka kecepatan aliran semakin kecil sehingga kemungkinan sedimentasi semakin besar, dan ini dapat dilihat pada Gambar 19.
28 500
2.5E-10
450 1/Fr
400
2.0E-10
1/Re 350 300
1.5E-10 μ/Uxρ, (1/Re)
gx/U2 250 (1/Fr) 200
1.0E-10
150 100
5.0E-11
50 0
0.0E+00 0.50
1.00
1.25
1.50 1.75 2.00 2.50 U, kecepatan aliran (m/s)
3.00
3.50
4.00
Gambar 20 Nilai grup tak berdimensi (1/Fr) dan (1/Re) hasil simulasi dengan berbagai kecepatan aliran 0.16
4.0E+10 Fr
0.14
3.5E+10
Re
0.12
3.0E+10
0.10
2.5E+10
Fr 0.08
2.0E+10 Re
0.06
1.5E+10
0.04
1.0E+10
0.02
5.0E+09
0.00
0.0E+00 0.50
1.00
1.25
1.50 1.75 2.00 2.50 U, kecepatan aliran (m/s)
3.00
3.50
4.00
Gambar 21 Nilai Bilangan Froude (Fr) dan Reynold (Re) berdasarkan grup tak berdimensi Π4 dan Π5 dengan berbagai kecepatan aliran
29 Tabel 7 Karakteristik aliran dalam boks bagi dari hasil simulasi U (m/s) 0.50 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Fr 0.00212 0.00849 0.01327 0.01911 0.02602 0.03398 0.05309 0.07645 0.10406 0.13592
Re 4.60E+09 9.20E+09 1.15E+10 1.38E+10 1.61E+10 1.84E+10 2.30E+10 2.76E+10 3.22E+10 3.68E+10
Penentuan kecepatan di sejumlah titik pada pipa memungkinkan untuk membantu dalam menentukan besarnya kapasitas aliran sehingga pengukuran kecepatan merupakan fase penting dalam menganalisa suatu aliran fluida. Besarnya kecepatan aliran fluida pada suatu pipa mendekati nol pada dinding pipa dan mencapai maksimum pada tengah diameter pipa. Aliran dikatakan laminar jika partikel fluida yang bergerak teratur mengikuti lintasan sejajar pipa dan bergerak dengan kecepatan sama. Aliran ini terjadi apabila kecepatan kecil dan/atau kekentalan besar. Sedangkan aliran disebut turbulen jika tiap partikel fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di sepanjang pipa. Pengaruh kekentalan fluida sangat besar sehingga dapat meredam gangguan yang dapat menyebabkan aliran menjadi turbulen. Dengan berkurangnya kekentalan dan bertambahnya kecepatan aliran maka daya redam terhadap gangguan akan berkurang, yang sampai pada batas tertentu akan menyebabkan terjadinya perubahan aliran dari laminar menjadi turbulen. Oleh karena itu, dalam menganalisa aliran di dalam pipa, sangatlah penting untuk mengetahui tipe aliran yang mengalir dalam pipa tersebut. Kondisi aliran dalam pipa dan boks bagi sangat dipengaruhi oleh Bilangan Reynold dan Bilangan Froude, dalam hasil simulasi ini diketahui bahwa nilai Bilangan Froude kurang dari 1 (Fr<1) dan nilai Bilangan Reynold lebih dari 2320 (Re>2320). Dari hasil simulasi ini juga diketahui bahwa grup tak berdimensi Π 4 dan Π5 merupakan nilai yang berhubungan dengan Bilangan Froude dan Bilangan Reynold, yang berpengaruh terhadap karakteristik aliran dan kemungkinan terjadinya sedimentasi di dalam pipa. Dari simulasi aliran model irigasi perpipaan diketahui bahwa faktor debit dan kecepatan aliran dalam pipa berpengaruh pada tingkat kekeruhan air, sedangkan dari hasil analisis dimensional diketahui bahwa faktor karakteristik aliran dalam pipa dan boks bagi dipengaruhi oleh nilai Bilangan Froude dan Bilangan Reynold. Dalam mendesain suatu jaringan irigasi perpipaan terdapat beberapa faktor pembatas, seperti head yang tersedia, luasan lahan yang akan diairi, besar debit dan lokasi sumber air, serta tingkat kekeruhan sumber air irigasi. Dari grafik pada Gambar 19 dan 20, dengan menentukan besaran debit air irigasi yang dibutuhkan, maka dapat ditentukan besarnya kecepatan aliran dan panjang pipa dari desain sistem irigasi dengan kemungkinan sedimentasi di dalam pipa yang paling minimum.
30
5 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa hasil analisis dimensional pada pipa dan boks bagi menunjukan bahwa grup tak berdimensi Π4 adalah Bilangan Froude yang didefinisikan sebagai rasio dari karakteristik kecepatan aliran terhadap untuk kecepatan gravitasi di dalam aliran di dalam pipa. Bilangan Froude dalam hasil penelitian ini digambarkan sebagai sedimen yang terlarut dalam aliran air. Semakin besar Bilangan Froude, semakin besar pula resistansi zat dalam aliran. Selain itu, ditunjukkan bahwa grup tak berdimensi Π 5 adalah Bilangan Reynold yang didefinisikan sebagai bilangan tak berdimensi yang memberikan ukuran rasio gaya inersia terhadap viskositas fluida yang mengakibatkan besaran gaya yang diberikan terhadap kondisi aliran. Bilangan Reynold ini digunakan untuk mengkarakterisasi jenis aliran yang berbeda, aliran laminar atau turbulen. Kondisi aliran dalam pipa dan boks bagi memiliki nilai Bilangan Froude kurang dari 1 (Fr<1) dan nilai Bilangan Reynold lebih dari 2320 (Re>2320) sehingga karakteristik aliran adalah mengalir secara turbulen. Faktor sedimentasi dipengaruhi oleh parameter D/x, ε/x, dan h/x, yaitu bahwa rasio antara diameter dengan panjang pipa, rasio kekasaran permukaan dengan panjang pipa, serta rasio head dengan panjang pipa berpengaruh terhadap laju sedimentasi yang terjadi, ketiga faktor ini menjadi perhitungan dalam mendesain boks bagi agar kemungkinan sedimentasi yang terjadi di dalam pipa sekecil mungkin. Grup tak berdimensi Π4 merupakan nilai yang berbanding terbalik dari Bilangan Froude (1/Fr), semakin besar nilai Π4 maka semakin kecil resistansi zat dalam aliran, sehingga sedimentasi pun semakin besar, tetapi hal ini ditentukan juga oleh faktor kecepatan aliran (U) dan panjang pipa (x). Sedangkan pada nilai grup tak berdimensi Π5 memiliki nilai yang berbanding terbalik dengan nilai Bilangan Reynold, sehingga semakin besar nilai Π5 maka kecepatan aliran semakin kecil sehingga kemungkinan sedimentasi semakin besar, dengan pengertian lain jika aliran semakin tenang dan mendekati aliran laminar, dan membuat kemungkinan terjadinya sedimentasi di dalam pipa semakin besar. Saran Penelitian ini merupakan penelitian dasar untuk mengetahui hubungan antara parameter-parameter berpengaruh terhadap sifat aliran dalam suatu sistem irigasi yang menggunakan pipa dan boks bagi dalam penyalurannya. Diperlukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui besaran nilai antar parameter tersebut dalam pengaruhnya terhadap laju sedimentasi di dalam pipa irigasi.
31
DAFTAR PUSTAKA [AWWA] American Water Works Association. 2002. PVC Pipe - Design and Installation. Manual of Water Supply Practices - M23, Second Edition. American Water Works Association. Washington DC. Chow, Ven Te. 1997. Hidrolika Saluran Terbuka. Terjemahan E.V. Nensi Rosalina. Erlangga. Jakarta. De Vries. 1997. Scalling Model Hydraulics. IHE Published. The Netherland. Durst, F. 2008. Fluid Mechanics: An Introduction to the Theory of Fluid Flows. Springer – Verlag Berlin Heidelberg. Berlin. [FAO] Food and Agriculture Organization. 1993. Structures For Water Control and Distribution. Irrigation Water Management Training Manual No. 8. Rome. Jain, S. K. dan Singh, V. 2003. Water Resources Systems Planning and Management. Elsevier Science B.V. Amsterdam. [KPU] Kementerian Pekerjaan Umum. 1986. Standar Perencanaan Irigasi: Kriteria Perencanaan Bagian Petak Tersier. Kementerian Pekerjaan Umum. Jakarta. Linsley, R. K. dan Franzini J. B. 1991. Teknik Sumber Daya Air – Jilid 1 edisi ketiga. Terjemahan: Djoko Sasongko. Erlangga. Jakarta. Moser, A. P. dan Folkman, S. 2008. Buried Pipe Design. Third Edition. The McGraw-Hill Companies, Inc. Washington DC. Pomeroy, R. D.. 1983. Flow Velocities in Pipelines. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 109, No. 8. Potter, M. C. dan Wiggert, D. C. 2008. Schaum’s Outline Series: Fluid Mechanics. The McGraw-Hill Companies, Inc. Washington DC. Prastumi, Herdin Primadi. 2009. Kajian Hidrolika Saluran Transisi dan Saluran Peluncur pada Uji Model Fisik Waduk Jehem Kabupaten Bangli Bali. Jurnal Rekayasa Sipil. Volume 3, No.3 – 2009 ISSN 1978 – 5658. Samuel, Parlidungan Manik. 2011. Analisa Froude Number Ekonomis Pada Kapal Wisata Di Waduk Jatiluhur Dengan Pendekatan Computational Fluid Dynamic. Jurnal Teknik – Vol. 32 No.3 Tahun 2011, ISSN 0852-1697. Soekarno, Indratmo. 2006. Pengaruh Arah Sayap Pelimpah Samping dan Kedalaman Aliran Terhadap Koefisien Debit. Journal of Civil Engineering Dimension, Vol. 8, No. 1, 8–14, March 2006, ISSN 1410-9530. Sosrodarsono, Suyono dan Takeda, Kensaku. 2002. Bendungan Tipe Urugan. Erlangga. Jakarta. Stephenson, D. 1981. Pipeline Design for Water Engineers. Second Edition. Elsevier Scientific Publishing Company. Amsterdam. Swamee, P. K. 1995. Design of Sediment-Transporting Pipeline. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 121. No.1. Triatmodjo, Bambang. 1993. Hidrolika II. Beta Offset. Yogyakarta. Wilson, E. M. 1993. Hidrologi Teknik – edisi keempat. Terjemahan: MM Purbohadiwidjoyo. Editor: Suroso. Penerbit ITB. Bandung.
32 Lampiran 1 Diagram simulasi model sistem irigasi perpipaan
33 Lampiran 2 Skema model sistem irigasi perpipaan
34 Lampiran 3 Foto dokumentasi penelitian
Tangki penampung air dengan pompa (kiri) dan manometer (kanan)
Instalasi pipa PVC 1 ½ inci
35
Variable slope controller
Pengukuran head pada manometer
36
Pemasangan manometer pada pipa (kiri) dan tangki pengatur kekeruhan (kanan)
Karakteristik aliran dalam model boks bagi
37
Turbidity meter untuk mengukur tingkat kekeruhan air
Kondisi sedimentasi yang terjadi di dalam model boks bagi
38
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Tangerang pada tanggal 9 Januari 1988 dari pasangan Khadiman dan Raniti, merupakan anak ketiga dari empat bersaudara. Menempuh jenjang pendidikan menengah atas di SMA Negeri 1 Ciputat dan lulus pada tahun 2006, selanjutnya penulis diterima sebagai mahasiswa Institut Pertanian Bogor (IPB) pada tahun 2006 melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Menyelesaikan studi sarjana tahun 2010 dari Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, dengan bidang keahlian Teknik Tanah dan Air. Setelah lulus kuliah sarjana, di semester awal tahun 2011 penulis bekerja di konsultan lingkungan selama hampir 6 bulan sebagai anggota staf penyusun AMDAL. Pertengahan tahun 2011 penulis melanjutkan studi magister di bidang Teknik Sipil dan Lingkungan IPB dengan sponsor beasiswa penuh dari I-MHERE B2c IPB sampai dengan masa studi selesai. Selama menyelesaikan studi magister, penulis juga aktif sebagai asisten peneliti di Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan IPB yang terkait dengan program penelitian yang didanai oleh IMHERE B2c IPB. Saat ini penulis bekerja sebagai Staf Teknik di PT. Indra Karya (Persero) Consulting Engineers dengan bidang pekerjaan yang berkaitan dengan analisis hidrologi dan hidrolika dalam perencanaan bendungan besar.
