F E N O M E N A OSILASI D A L A M T A N G K I P E N D A T A R A K I B A T PERUBAHAN KECEPATAN ALIRAN MENGGUNAKAN PENDEKATAN M O D E L FISIK S K A L A L A B O R A T O R I U M
Imam Suprayogi', Bochari^, Joleha^, Amril^ '•^'^ Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Riau, Pekanbaru 28293 Teknisi Laboratorium Mekanika Fluida dan Plumbing Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Riau, Pekanbaru 28293
E-mail :
[email protected]
Abstrak Para ilmuwan telah banyak melakukan penelitian dan membuat model tentang fenomena osilasi dalam tangki pendatar. Model yang dikembangkan untuk menyelesaikan permasalahan fenomena osilasi dalam tangki pendatar menggunakan pendekatan model tlsik dan atau model matematika. Metode penelitian yang dipergunakan pada penelitian ini, adalah model tlsik skala laboratorium yang dibuat Armfield.lnc United Kingdom. Tujuan utama dari penelitian adalah melakukan observasi tinggi muka air maksimum pada tangki pendatar akibat perubahan variasi kecepatan aliran berturut-turut 0.98 m/dt,1.404 m/dt dan 2.09 m/dt menggunakan pendekatan model fisik skala laboratorium terhadap metode analitik. Hasil utama penelitian membuktikan bahwa antara model fisik skala laboratorium dan metode analitik terjadi perbedaan yang cukup signifikan guna penetapan tinggi muka air maksimum pada tangki pendatar.
Kata Kunci : fenomena osilasi, tinggi muka air maksimum, tangki pendatar, model fisik skala laboraratorium
THE PHENOMENA
OF OSCHLATION
IN SURGE TANK DUE TO
VARIOUS FLO W VELOCITY USING PHYSICAL MODELING
LABORA TOR Y
OF SCALE APPROA CH
Abstract Scientists have conducted many research and developed models of oscillation phenomenon in Surge Tank. Most of developed models for oscillation ofphenomenon in surge tank were physical or mathematical. The method that used this research was a physical modeling laboratory of scale approach using surge tank and water hammer apparatus was built by Armfield. Inc United Kingdom. The main purpose of research observation of water level maximum in surge tank should be compared with theoritical values due to various flow velocity respectively 0.98 m/s, 1.404 m/s and 2.09 m/s. The main of research proved that the result of the model that use physical modeling laboratory of scale approach and analytic method were very difference for water level maximum (ymaximum) in surge tank.
Keywords : the phenomena of oscillation, water level maximum, surge tank, physical model laboratory of scale
l.PENDAHULUAN
lambat dan pipa sangat pendek. Hal ini akan
Aliran tidak tunak {unsteady flow) pada pipa merupakan dalam
persoalan
praktek
yang
rekayasa
penting
mengakibatkan tekanan berubah seketika di seluruh sistim yang ada.
{engineering
Dalam perencanaan pipa pembawa air
practice) karena aliran tunak menimbulkan
dari
suatu
reservoir
persoalan-persoalan
pembangkit
listrik
{excessive pressures), getaran, kavitasi dan
dipertimbangkan
terhadap kondisi-kondisi
suara-suara bising yang jauh dari jangkauan
khusus,
analisis aliran tunak (Kodoatie, 2002).
pembawa
kelebihan
tekanan
Masih dikatakan Kodoatie (2002) pada dasarnya analisis unsteady flow pada pipa dapat dibagi menjadi
dua kategori yaitu
elatisitas atau water hammer
theory dan
surge atau rigid water column theory. Teori water hammer berdasarkan asumsi bahwa elatisitas dari fluida dan dinding pipa harus diperhitungkan dalam analisis. Gelombang tekanan terbentuk oleh perubahan kecepatan karena seluruh
sifat
elastis
sistim
mencerminkan
dan
pipa.
berkembang
Teori
keakuratan
ini
dari
ke
lebih sifat-sifat
terutama
(1989)
ke
menimbulkan
pada
air
apabila
air panjang. banyak
turbin
harus
sistem
pipa
Dikatakan Tulis
penyebab
aliran dalam
yang pipa
dapat menjadi
aliran transien antara lain perubahan bukaan
katup,
pemberhentian
pengoperasian
operasi
pompa,
pada dan
operasi
fasilitas-fasilitas dalam sistem pipa seperti katup periksa, katup pembuang udara, katup pengurangan perubahan
tekanan,
pecahnya pipa dan
kebutuhan
beban dalam turbin
hidrolik. Menurut pusat
Sangkawati (2005)
pembangkit
listrik
harus
bahwa selalu
sistem aliran tidak tunak. Sedangkan teori
disesuaikan dengan pemakaian listrik oleh
surge didasarkan atas asumsi bahwa
konsumen. Oleh karenanya apabila
adalah
tidak
terjadi
{complete
keadaan dimana pemakaian listrik tiba-tiba
dan mengalir melalui pipa
padam (nol), maka kebutuhan air juga akan
sangat kaku. Kondisi ini menyebabkan tidak
menjadi nol. D i dalam pipa pesat terdapat
akan terjadi water hammer, namun tetap
inersia, air masih tetap mengalir, sehingga
akan
untuk
permukaan air di dalam tangki peredam naik
mengubah laju aliran air. Asumsi ini akan
lebih tinggi daripada ketinggian permukaan
incompressible)
valid
ada
elastis
fluida
perubahan
bilamana
gerakan
tekanan
katup
penutup
air
pada
kondisi seimbang. Kemudian
permukaan air turun sampai lebih rendah
memanfaatkan
permukaan
air
dalam
spesifik
dari
model fisik tersebut di atas, maka pada penelitian
daripada
keunggulan
ini
menitikberatkan
fenomena
keadaan osilasi akibat tangki pendatar (surge tank)
seimbang, selanjutnya naik lagi, turun dan menggunakan pendekatan model fisik skala seterusnya sehingga pada suatu saat terdapat laboratorium
yang
hasilnya
akan
keadaan seimbang, dan permukaan air di dibandingkan demgan metode analitik. dalam tangki pendatar diam. 2. L A N D A S A N T E O R I Di dunia teknik sipil model yang lazim
dipergunakan
analisa adalah
sebagai
alat
model fisik
bantu
dan model
Dasar
Teori
Analisa
model
Sederhana
peniruan
geometri
dan
Dalam
Tangki
Pendatar Sederhana
matematik. Dikatakan Legowo (1998), pada fisik,
Osilasi
Friksi
Dari
Tangki
Pendatar
fenomena fisik obyek yang akan dimodelkan
Prinsip dasar dari tangki pendatar
dilakukan dengan cara membuat miniatur
dijelaskan pada Gambar 1 seperti di bawah
atau pengecilan ukuran menggunakan skala
ini :
tertentu bagi fenomena yang akan diamati
(tan^ftntor)
atau berpengaruh dominan pada proses yang LiviArSbns
diamati. Hasil pengamatan dan pengukuran pada model ini kemudian untuk
memperoleh
' Rsemr
diterjemahkan
gambaran
mengenai
besaran-besaran yang sesungguhnya terjadi atau akan terjadi pada prototip. Masih
dikatakan
Legowo (1998),
dalam model uji hidrolik, keunggulan model
Gambar 1. Tangki Pendatar Sederhana
fisik dapat memberikan informasi lebih rinci Dengan pada
titik-titik
pusat
perhatian
a
adalah
penampang melintang
pada dari pipa dalam m^, A adalah penampang
pandangan
tiga
dimensi,
disamping
itu melintang dari tangki pendatar dalam m^, u
model
fisik
dapat
mempresentasikan adalah kecepatan pipa dalam m/dt, y adalah
fenomena-fenomena
yang
belum
pasti posisi tangki pendatar di atas posisi reservoir
diketahui
perumusannya.
Dengan
dalam m, q
adalah debit melalui kran air
m /dt dan — adalah posisi tangki pendatar dt
Rumus secara umum dapat di tulis h, = ./'(v") dan q = f(t) atau q = f(y) Penyederhanaan dilakukan jika nilai q = 0
(naik atau turun terhadap kecepatan)
dalam (aliran melalui pipa adalah nol) dan jika
m. kehilangan gesek diabaikan ff = 0 maka Penerapan
Hukum Newton Kedua perumusan
pada
persamaan
(3)
akan
untuk pergerakan air adalah hasil perkallan menjadi : antara massa dan percepatan dengan
akan sama
gaya akibat perbedaan
tekanan
g
a
dt -
ditambah komponen dari berat air dikurangi gaya akibat gesekan dari pipa. dt" p.a.L.^= dt
LA
p.a.g.H^ - p.a.g.{H^ + y) + ~
dan
periode
osilasi
p.a.g.L.s'm 0 - p.a.g.h^
Jika 9 adalah kecil kemudian dan
I.sin(9^K Untuk mendapatkan amplitudo maksimum y
H,^H,+K
didapat dari u =
L du , ^ — . — + y + hf=Q g dt ' ' Dengan
orbital
/z^ adalah kehilangan tinggi dari
pipa Untuk kontinyu aliran dalam pipa adalah penjumlahan antara aliran dari tangki pendatar ditambah aliran yang melalui kran. a.v = A.^ + q dt
(1)
(2)
Subtitusikan untuk u dari persamaan (2) ke persamaan (1)
k A. a dt
kecepatan
dengan
kasus
M = - ^ ^ d i m a n a UQ adalah kecepatan pipa A kondisi tunak. 14
aun
CO
^sa^ LA
maka maksimum amplitudo (4)
A dy q atau v= — . - ^ + ^ a dt a
g dt
y. co dimana u adalah
a
+ y + A, =0 (3)
Dengan a adalah penampang melintang dari
3.METODOLOGI P E N E L I T I A N
pipa seluas
0.3204 x 10"^ m ' , A adalah
Metode penelitian disusun berdasarkan penampang melintang dari tangki pendatar latar
belakang
penelitian,
identifikasi seluas
1.521 x 10"^ m" dan
L adalah
masalah, perumusan masalah serta tujuan panjang dari pipa dengan panjang
3.0 m.
utama dari penelitian. Perlengkapan
alat
pendukung
untuk berbagai volume air penelitian
lain
adalah stop watch untuk menetapkan waktu
Lokasi dan Waktu Penelitian Lokasi
yang
dilakukan
di volumetric
di tank.
Laboratorium
Mekanika
Fluida
dan
Plumbing Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik,
Universitas
Riau,
Pengumpulan Data
Pekanbaru. Pengumpulan data untuk kebutuhan
Waktu penelitian dilaksanakan pada pada penelitian yang berjudul Fenomena Osilasi tanggal 1 - 20 Agustus 2012 Dalam Alat - Alat Penunjang Kegiatan
Menggunakan
Alat penelitian menggunakan alat pipa pendatar dan palu air (pipe surge and water hammer apparatus) Amerika
Tahun
buatan Armfield Inc, 2006.
Alat
Tangki
tersebut
disajikan pada Gambar 2 di bawah ini:
Skala
Pendatar Pendekatan
Laboratorium adalah
(Surge
Tank)
Model data
Fisik primer
pengukuran tinggi air dalam tangki pendatar (surge tank) di atas statik
(reservoir) (y)
dalam mm sebagai fungsi waktu t (dt). 4. HASIL D A N P E M B A H A S A N Bersumber dari hasil penelitian di laboratorium pendatar disajikan bawah ini.
Gambar 2 . Alat Pipa Pendatar (Surge Tank Apparatus)
(pipe
menggunakan surge
alat
apparatus)
pipa dapat
seperti pada Tabel 1 seperti di
Tabel 1. Hasil Pengukuran Waktu Rata-rata (t) untuk Kondisi Volume A i r Konstan Menggunakan Alat Bantu Hydraulic Bench
No
Volume Air (It)
Waktu
Waklu
Waktu
Waktu Pengukuran
Pengukuran
Pengukuran
Pengukuran
Rata-rala
li (raenit)
t2 (menu)
t,;(menit)
Tabel 2. Hasil Perhitungan Kecepatan Aliran pada Pipa Untuk Berbagai Variasi Perubahan Waktu Rerata Pada Kondisi Debit A i r Konstan
No
Volume Air
Waktu (dtk)
Laju Debit (nrVdtk)
Kec Aliran (m/dt)
(menit)
1
20
1,08
109
1,14
1 10
1
0.00020
70
0.00030
0.964
2
20
072
0 75
0 76
0,74
2
0.00020
44.64
0.00045
1.404
3
20
0,50
O50
0 50
0,50
3
0.00020
30.03
0.00067
2.09
Sumber : Hasil Perhitungan Sumber: Hasil Pengukuran di Laboratorium Masih bersumber dari Tabel. I di atas,
selanjutnya
dilakukan
perhitungan
dengan cara menghitung kecepatan aliran dalam
pipa
yang
terjadi
dengan
menggunakan rumus yang disajikan seperti di bawah ini:
q = — maka « = — = — = — / a a a.t Sumber : Dokumentasi Hasil Penelitian Dengan Q adalah laju debit dalam mVdt, V adalah volume air dalam tangki volumetrik
Gambar 1. Pengukuran Volume A i r Sebagai Fungsi Perubahan Waktu Menggunakan Alat Bantu Hydraulic Bench
selama periode waktu t dalam It dan t adalah periode
waktu
dalam
dt dan a adalah
penampang melintang dari pipa dalam m^ yang nilainya a adalah sebesar 0.3204x10'^ m^. Hasil perhitungan selengkapnya nilai kecepatan
aliran pada pipa untuk kondisi
nilai debit air
konstan
sebesar 20 liter
disajikan seperti pada Tabel 2 dan Gambar 1 di bawah ini.
Penetapan
Ketinggian
Maksimum
Pada
Muka
Surge
Air Tank
Menggunakan Alat Bantu Pipa Pendatar Masih bersumber dari Tabel 2 di atas, hasil perhitungan
variasi
aliran pada pipa pendatar perubahan volume air
waktu
rerata
konstan
kecepatan
sebagai fungsi untuk
kondisi
menghasilkan nilai
kecepatan aliran ui : 0.904 m/dt, U2 : 1.404 m/dt dan U3 : 2.09 m/dt. Pola hubungan antara ketinggian shaft
(y)
muka air dalam surge
sebagai
fungsi
waktu
hasil
I MO
r:
•
1.00 4
selengkapnya disajikan seperti pada Gambar
; =;j
-
0
50
1:0
100
200
250
300
350
400
2, Gambar 3, Gambar 4 dan Gambar 5 seperti di bawah ini.
Sumber: Hasil Pengamatan di Laboratorium Gambar 4. Grafik pola Hubungan Antara Perubahan Muka Air Terhadap Perubahan Waktu di Siwge Shaft Untuk Kecepatan Aliran Dalam Pipa sebesar 1.404 m/dt
I
^
1.73
-
,,3
I
l.'l
:
-S
1-0
\
I
1,-0
i
A*^ :
/
i -
• i
;
: !
•
i
50
IOC
•,
15G
- * - P t r u b i h a n M u k i Ail ;, i m .
Sumber : Dokumentasi Hasil Penelitian Gambar 2. Pembacaan Perubahan Muka A i r Sebagai Fungsi Waktu di Surge Shaft Untuk Berbagai Variasi Kecepatan Aliran 1.60 ;
- f
•
!
:..:,;„,:..,•. 0
:
V
•;
i
I
•• J
i
i
• •••ir-
i
300
3-0
;,:
\
200
250
Pciubihiii V.'aktu i (dl)
i |
Sumber: Hasil Pengamatan di Laboratorium Gambar 5. Grafik pola Hubungan Antara Perubahan Muka Air Terhadap Perubahan Waktu di Surge Shaft Untuk Kecepatan Aliran Dalam Pipa sebesar 2.098 m/dt Intepretasi hasil pengamatan grafik pola hubungan antara perubahan muka air
1 «
terhadap
' 0
50
100
150
-•"Perubahan Muka Air y (m)
200
250
300
perubahan waktu
menggunakan
350
Perubahan Waklu l (dt)
Sumber : Hasil Pengamatan di Laboratorium Gambar 3. Grafik Pola Hubungan Antara Perubahan Muka A i r terhadap Perubahan Waktu di Surge Shaft Untuk Kecepatan Aliran Dalam Pipa sebesar 0.964 m/dt
pendekatan model fisik skala laboratorium yang disajikan pada Gambar 3, Gambar 4 dan Gambar 5 di atas, dengan memberikan perlakuan
pengamatan
di setiap kenaikan
10 detik untuk rentang waktu 60 detik pada Surge
Shaft
untuk
berbagai
kecepatan aliran dalam pipa sebesar
variasi 0.904
m/dt,
1.404 m/dt dan
menunjukkan maksimum
bahwa
(ymaks)
2.09 m/dt hasil
tinggi
muka
air
berturut - turut adalah
pengamatan
bersumber
panjang (L) adalah
intepretasi
grafik pola hubungan
perubahan muka air terhadap
hasil
3.0 m, Gaya gravitasi
bumi (g) sebesar 9.8 m/dV dan kecepatan aliran (u)
1.494 m, 1.73 m dan 1.735 m. Masih
1.521 X 10'^ m"^ , panjang dari pipa dengan
U2
berturut - turut
: 1.404 m/dt dan
U3
U| : 0.904 m/dt,
: 2.09 m/dt.
antara
Adapun langkah selanjutnya dilakukan
perubahan
perhitungan tinggi muka air maksimum pada
waktu menggunakan pendekatan model fisik
tangki pendatar
skala
aliran ui : 0.904 m/dt, U2 : 1.404 m/dt dan
laboratorium
yang
disajikan
pada
untuk variasi kecepatan
Gambar 3, Gambar 4 dan Gambar 5 di atas,
U3: 2.09 m/dt menggunakan
dengan memberikan perlakuan
analitik yang hasil selengkapnya disajikan
pengamatan
di setiap kenaikan 10 detik untuk rentang waktu 60 detik
pada Surge Shaft
pendekatan
seperti di bawah ini:
untuk Tinggi muka air maksimum pada tangki
berbagai variasi kecepatan aliran dalam pipa pendatar untuk kecepatan aliran 0.904 m/dt sebesar m/dt
0.904 m/dt, 1.404 m/dt dan 2.09 waktu
mencapai maksimum
yang
puncak (ymaks)
dibutuhkan tinggi
untuk
muka
air
[LA
I 3.(0.001521)
>^,„„*.s, = " , - / — = 0 . 9 0 4 . ' 9.8.(0.0003284) ^ ^
berturut - turut adalah
1A
240 dt, 90 dt dan 30 dt.
= 1.2
m
Pencocokan Hasil Analisa Kajian Antara
Tinggi Muka A i r Maksimum pada tangki
Metode Analitik Dengan Program Bantu
pendatar untuk kecepatan aliran 1.404 m/dt
Model Fisik Skala Laboratorium LA
3.(0.001521) = 1.404. ^9.8.(0.0003284) ga
Bersumber dari rumus empiris yang didiskripsikan pada persamaan 4 tersebut di atas, maka dapat dilakukan
analisa tinggi
muka air maksimum pada tangki pendatar (Surge Tank) dengan data - data pendukung adalah penampang melintang dari pipa seluas
(a)
0.3204 x 10"^ m^ , penampang
melintang dari
tangki pendatar (A) seluas
\ga
Tinggi Muka A i r Maksimum pada tangki
5. K E S I M P U L A N
pendatar untuk kecepatan aliran 2.09 m/dt
Berdasarkan hasil penelitian tentang kajian Fenomena Osilasi
LA maksZ
= 2.09
=U
I 3.(0.00152i]~
Dalam
Pendatar (Surge Tank) Akibat
Tangki
Perubahan
'9.8.(0.0003284) Variasi
Kecepatan
Pendekatan
LA
= 2.52 m
Aliran
Model
Laboratorium
Menggunakan
Fisik
Skala
menghasilkan
beberapa
kesimpulan sebagai berikut: Setelah didapat nilai tinggi muka air maksimum Tank)
pada
tangki
y^aksi, ymaks2
1.20 m,
dan
1.59 m dan
dilakukan
studi
pengamatan
pendatar (Surge
ymaks3
1. Hasil pengujian maksimum
berturut-turut
dengan
menggunakan
untuk
berbagai
konstan
hasil
menggunakan
akan diperoleh nilai
selengkapnya
dan
seperti
pada
1.73 m dan
sedangkan untuk
ymaks2
adalah 1.735 m
waktu yang dibutuhkan
mencapai
maksimum
2.
y^aksi,
berturut-turut
ymaks3
1.494 m,
Gambar 6 di bawah ini
tinggi
(ymaks)
muka
air
berturut ~ turut
adalah
240 dt, 140dtdan 120dt.
Hasil
analisa
maksimum •
pendekatan
model fisik skala laboratorium maka
pendekatan
model fisik skala laboratorium yang hasil disajikan
variasi
kecepatan aliran untuk volume air
2.52 m selanjutnya
komparasi
tinggi muka air
tinggi
untuk
muka
air
menggunakan
pendekatan analitik untuk berbagai
Tinggi Muka Ail .Maksimum Modd (m)
1.494
1.585
1.735
>^ Unggi Muka Air Mabimum Analitik (m)
1.12
1.59
2.52
variasi
kecepatan
volume air diperoleh nilai
Gambar 6. Hasil Perbandingan Perhitungan Muka A i r Maksimum Pada Surge Tank Untuk Berbagai Variasi Perubahan Waktu Rerata Pada Kondisi Volume A i r Konstan Menggunakan Metode Analitik dan Model Fisik Skala Laboratorium
ymaks3
aliran
konstan y^aksi,
maka Ymakss
untuk akan dan
bcrturut-turut adalah 1.20 m,
1.59 m dan 2.52 m
3. Hasil
pencocokan
tinggi
muka
air
DAFTAR PUSTAKA
maksimum pada tangki pendatar antara model
fisik
skala
laboratorium
dan
metode analitik untuk berbagai variasi kecepatan
aliran
untuk
volume
air
konstan maka diperoleh nilai perbedaan
Anonim. 2006. Instructional Mannual Pipe Surge and Water Hammer Apparatus. U S A : Armfield Inc. Dandekar, M . M dan Sharma, K . K . 1991. Pembangkit Listrik Tenaga A i r . Jakarta : Universitas Indonesia.
tinggi muka air maksimum berturut-turut ymaksi,
ymaks2
dan
yang cukup
y^akss
signifikan
Patty. O. P. 1994. Tenaga A i r . Jakarta : Penerbit Erlangga.
U C A P A N T E R I M A KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr.
Syaiful
Bahri,
M S i selaku
Dekan
Fakultas Teknik Universitas Riau yang telah berkenan
memberikan
rekomendasi
hasil
dimungkinkannya
penilaian
serta
penelitian artikel
untuk
jurnal
terbit,
Prof Dr. Ir Usman M Tang, M S selaku Ketua Lembaga Penelitian Universitas Riau yang telah berkenan memberi bantuan dana penelitian
melalui dana P N B P Universitas
Riau Tahun 2012 untuk Kategori Penelitian Basis Laboratorium dan tak lupa kepada Ketua Laboratorium Plumbing Jurusan Teknik
Mekanika Fluida dan Teknik Sipil
Universitas
Riau
Kodoatie. R. 2003. Hidrolika Terapan Aliran Pada Saluran Terbuka dan Pipa. Jogyakarta : Penerbit A N D I .
Fakultas
yang
telah
berkenan memberi ijin penggunaan Surge Tank and Water Hammer Apparatus keperluan pengambilan data primer.
untuk
Sangkawati, S. 2005. Osilasi Dalam Tangki Pendatar (Surge Tank) Akibat Penutupan Turbin Secara Mendadak. Jurnal Media Komunikasi Teknik Sipil Volume 13, Nomor 2, Edisi X X X l l Juni2005, Semarang. Suryadi .1986. Pengenalan Analisa Dengan Model Matematik Pada Masalah A i r . Jurnal Penelitian dan Pengembangan Pengairan No.2 Tahun, 1-KW.II. Tulis, P.J. 1989. Hydraulics of Pipeline, New York John Wiley & Son. Legowo, S.1998. Pengkajian Pendangkalan Muara Sungai Di Pantai Utara Pulau Jawa Baral dan Rekayasa Pemecahannya. Bandung : Laporan Akhir Riset Unggulan Terpadu ( R U T III/3) Lembaga Penelitian Institut Teknologi Bandung (ITB).
