BAB 1

Hidraulik Prinsip Asas Aliran Saluran Terbuka

BAB 1

PRINSIP ASAS ALIRAN SALURAN TERBUKA

Hasil Pembelajaran

Bab ini dirangka untuk membantu pelajar mencapai perkara berikut:

1. Membuat perbandingan di antara aliran saluran terbuka dan aliran di dalam paip.2. Mentakrif dan menghuraikan jenis-jenis aliran.3. Membuktikan keadaan dan regim aliran.Objektif Pembelajaran

Di akhir bab, adalah diharapkan para pelajar dapat:

1. Menyatakan pengkelasan aliran terbuka dan sifat-sifat yang terkandung di dalam sesuatu bendalir.2. Menerangkan keadaan aliran di dalam saluran terbuka.3. Menyatakan takrifan unsur-unsur geometri di dalam pengiraan aliran saluran terbuka.1.0 PENGENALAN

Istilah hidraulik adalah berkaitan dengan penggunaan prinsip mekanik bendalir bagi struktur kejuruteraan air, kemudahan kejuruteraan awam dan alam sekitar terutamanya struktur hidraulik seperti saluran, parit, sungai, empangan dan loji rawatan air dan air sisa. Di dalam modul ini, saluran terbuka mengambil kira pengaliran cecair contohnya air dengan permukaan bebas. Contoh saluran terbuka ialah sungai dan saluran semulajadi. Saluran buatan manusia adalah termasuk saluran pengairan, parit, pembetung dan terusan.

Faktor utama yang perlu diambil kira apabila menganalisis saluran terbuka ialah kedudukan permukaan bebas yang tidak diketahui. Peningkatan dan penurunan permukaan bebas akan memberi kesan serta mengganggu aliran terutamanya apabila melibatkan perubahan kecerunan dan lebar sesuatu saluran. Parameter hidraulik utama bagi geometri saluran terdiri daripada lebar, kecerunan dan kekasaran, sifat-sifat pengaliran cecair seperti ketumpatan dan kepekatan manakala parameter aliran terdiri daripada halaju dan kedalaman aliran.

1.1 SIFAT-SIFAT BENDALIR

Ketumpatan, sesuatu bendalir ialah jisim per unit isipadunya. Dalam keadaan sebenar, bendalir menghalang daya yang cenderung untuk menjadikan satu lapisan bergerak ke arah kedudukan yang lain. Namun begitu rintangan ini hanya terhasil apabila pergerakan bendalir wujud. Rintangan terhadap pergerakan suatu lapisan bendalir adalah merujuk kepada kelikatan bendalir.

Kelikatan sesuatu bendalir merupakan pengukuran rintangannya kepada tegasan yang berlaku secara berserenjang dengan arah daya atau dikenali sebagai ricih. Ini timbul akibat fenomena yang saling bertindak antara kejelekitan molekul-molekul bendalir. Semua bendalir mempunyai kelikatan walaupun pada darjah yang berlainan. Tegasan ricih dalam pepejal adalah berkadar dengan keterikan ricih. Oleh itu, tegasan ricih tidak wujud dalam bendalir yang berada dalam keadaan pegun. Bendalir yang mempunyai kelikatan yang tinggi akan berubah bentuk dengan lebih perlahan jika dibandingkan dengan bendalir berkelikatan rendah seperti air.

Umumnya, semua bendalir mempunyai kelikatan. Bendalir Newtonian mematuhi hubungan secara linear iaitu:

=

(1.1)dengan ialah tegasan ricih, ialah pekali kelikatan dinamik dan dv/dy ialah kecerunan halaju atau kadar ubah bentuk. Sebaliknya, bendalir yang tidak mematuhi hukum di atas dinamakan bendalir tak-Newtonian. Pengiraan bendalir Newtonian seperti air dan udara tidaklah serumit bendalir tak-Newtonian. Kelikatan sesuatu cecair akan berkurangan dengan kenaikan suhu. Sebaliknya bagi gas kelikatannya bertambah dengan kenaikan suhu.

Hubungan perubahan kelikatan untuk cecair yang sering digunakan ialah:

=

(1.2)

dengan o, , dan merupakan pemalar dan T adalah suhu untuk bendalir tersebut. Nisbah kelikatan dinamik terhadap ketumpatan dikenali sebagai kelikatan kinematik iaitu:

=

(1.3)Dalam sistem SI, unit untuk kelikatan dinamik dan kelikatan kinematik masing-masing ialah Ns/m2 dan m2/s.

1.2 STATIK BENDALIR

Statik Bendalir merupakan kajian tentang tekanan pada bendalir pegun dan daya-daya tekanan pada permukaan terhingga. Oleh kerana bendalir berada dalam keadaan pegun, maka tegasan ricih tidak wujud. Keseimbangan daya hanya terdiri daripada daya graviti dan daya tekanan.

Hukum Pascal menyatakan bahawa tekanan pada satu titik di dalam bendalir pegun adalah senilai pada semua arah. Ini bermakna bahawa tekanan tidak bergantung kepada orientasi permukaan di sekeliling titik. Perubahan tekanan dalam bendalir pegun adalah seperti berikut:

= -g

(1.4)dengan P adalah tekanan, z ialah ketinggian menegak, ialah ketumpatan bendalir dan g ialah graviti.

Bagi bendalir yang pegun dan mempunyai permukaan bebas contohnya tasik yang mempunyai ketumpatan tetap, persamaan perubahan tekanan adalah seperti berikut:

P(x, y, z) = Patm g(z (zo + d))

(1.5)dengan Patm adalah tekanan atmosfera iaitu tekanan udara di atas bendalir permukaan bebas, zo ialah ketinggian paras bawah takungan dan d ialah kedalaman dalam takungan (Rajah 1.1). (d + zo) adalah ketinggian permukaan bebas dari datum. Persamaan 1.5 menggambarkan tekanan adalah bebas pada koordinat mendatar (x,y). Nilai {- g(z (zo + d))} adalah positif dalam keadaan bendalir pegun. Ia dipanggil tekanan hidrostatik.

Garisan Tekanan Udara Piezometer Patm Permukaan bebas

d

Bendalir pegun

Datum W

Rajah 1.1: Pelbagai tekanan dalam bendalir pegun

Daya tekanan yang bertindak di atas permukaan terhad yang bersentuhan dengan bendalir akan diagihkan ke seluruh permukaan. Tindakbalas daya ini boleh ditentukan dengan;

Fp =

(1.6)dengan A ialah luas permukaan.

1.3 ALIRAN SALURAN TERBUKA

Aliran air dalam sesuatu saluran terdiri daripada aliran saluran terbuka atau aliran di dalam paip. Kedua-dua aliran ini mempunyai beberapa persamaan namun terdapat beberapa perbezaan yang penting. Aliran saluran terbuka mempunyai permukaan bebas berbanding aliran dalam paip yang dipenuhi air di keseluruhan ruangnya. Aliran saluran terbuka yang mempunyai permukaan bebas dipengaruhi oleh tekanan atmosfera. Manakala aliran dalam paip yang terkurung di dalam saluran tertutup tidak dipengaruhi oleh tekanan atmosfera dan hanya dipengaruhi oleh tekanan hidraulik. Rajah 1.2 menunjukkan pergerakan aliran bendalir di dalam saluran terbuka.

Atmosfera y Permukaan bebas

Aliran air d

zo Datum

Rajah 1.2: Lakaran Aliran Dalam Saluran Terbuka

1.4 JENIS-JENIS ALIRAN

Aliran saluran terbuka boleh dikelaskan kepada beberapa jenis berdasarkan kepada berbagai kriteria seperti masa, jarak, kesan kelikatan, graviti dan ketumpatan. Namun demikian, kriteria utama pengkelasan dibuat berdasarkan kepada perubahan kedalaman aliran terhadap masa dan ruang.

Sekiranya masa sebagai kriteria, maka jenis aliran adalah tetap atau tak tetap. Aliran dalam saluran terbuka dikatakan tetap apabila kedalaman aliran tidak berubah dalam tempoh masa yang tertentu. Aliran dikatakan tak tetap apabila kedalaman berubah atau tidak tetap mengikut masa. Aliran tetap dalam terusan pengairan untuk satu tempoh yang tertentu ialah contoh aliran tetap manakala banjir dan gelombang merupakan contoh khas untuk aliran tak tetap.

Sekiranya ruang sebagai kriteria, maka jenis aliran adalah seragam dan aliran tidak seragam. Aliran saluran terbuka dikatakan seragam apabila kedalaman aliran adalah sama pada setiap keratan sepanjang saluran. Suatu aliran seragam dapat bersifat tetap atau tidak tetap bergantung kepada perubahan kedalaman terhadap perubahan masa.

Aliran tidak seragam berlaku dalam saluran terbuka apabila kedalaman aliran berubah pada setiap keratan di sepanjang saluran. Aliran tidak seragam boleh berubah kepada tetap atau tak tetap bergantung sama ada kedalaman aliran berubah mengikut masa atau tidak. Aliran tidak seragam boleh dibahagikan kepada dua iaitu aliran berubah cepat dan aliran berubah beransur. Aliran berubah cepat berlaku apabila kedalaman berubah secara mendadak dalam suatu jarak yang pendek, contohnya kejadian lompatan hidraulik dan kejatuhan hidraulik. Aliran berubah beransur berlaku apabila kedalaman aliran berubah secara perlahan dan beransur-ansur dalam suatu jarak yang panjang seperti kejadian airbalik yang berlaku di hulu empangan dasar atau pintu sluis. Rajah 1.3 menunjukkan jenis-jenis aliran dalam saluran terbuka. Rajah 1.4 pula menunjukkan contoh beberapa jenis aliran saluran terbuka.

Rajah 1.3: Jenis-jenis Aliran Dalam Saluran Terbuka

V(t) y(t)

Vo yo Vo yo

(a) (b)

ABC ABB ABC ABB ABC ABB

Lompatan Hidraulik

(c)

Hujan

Vs

gelombang

V1 Q1 Q2 > Q1

(d) (e)

Rajah 1.4: Jenis Aliran Saluran Terbuka (a) Aliran Tak Tetap; (b) Aliran Tetap, Seragam; (c) Aliran Berubah Beransur (ABB) dan Aliran Berubah Cepat (ABC); (d) Aliran Tak Tetap, Berubah Cepat; (e) Perubahan Aliran

1.5 KEADAAN ALIRANKeadaan atau sifat aliran saluran terbuka dipengaruhi oleh kelikatan air, tarikan graviti bumi dan daya inersia aliran. Tegangan permukaan air dalam keadaan tertentu akan mempengaruhi sifat aliran, tetapi ia tidak memainkan peranan penting dalam kebanyakan aliran saluran terbuka yang dipraktikkan dalam bidang kejuruteraan.

1.5.1 Pengaruh Kelikatan

Aliran boleh bersifat laminar, gelora atau peralihan bergantung kepada pengaruh kelikatan. Ia berdasarkan kepada magnitud Nombor Reynolds, Re iaitu:

Re =

(1.7)dengan v ialah halaju purata aliran, L ialah panjang ciri saluran dan ialah kelikatan kinematik cecair. Di dalam saluran terbuka, panjang ciri L ialah jejari hidraulik, R, iaitu nisbah luas air, A terhadap perimeter basah, P.Aliran saluran terbuka adalah laminar apabila Re < 500, di mana aliran adalah perlahan dalam keratan saluran yang kecil dan kelikatan bendalir yang tinggi. Keadaan seperti ini jarang berlaku di dalam aliran saluran terbuka biasa. Aliran gelora berlaku apabila Re > 12500. Kedalaman air yang besar dan bentuk keratan yang tidak sekata menjadikan aliran di dalam sungai berkeadaan gelora. Apabila nilai Re di antara 500 dan 12500 ( 500 < Re < 12500), maka aliran berada di dalam keadaan peralihan.1.5.2 Pengaruh Daya Graviti

Kesan daya graviti terhadap keadaan aliran dinyatakan sebagai nisbah daya inersia kepada daya graviti. Nisbah ini dinyatakan sebagai nombor Froude, Fr ditulis sebagai:

Fr =

(1.8)Dengan v ialah halaju ciri aliran, L ialah panjang ciri. Untuk saluran terbuka, panjang ciri, L dalam nombor Froude ialah ukur dalam hidraulik, D iaitu nisbah luas air kepada lebar permukaan air. Aliran dikatakan berada di dalam keadaan genting apabila Fr = 1, subgenting apabila Fr < 1.0 dan berkeadaan genting lampau apabila Fr > 1.0.1.6 REGIM ALIRANGabungan pengaruh kelikatan dan daya graviti akan mewujudkan salah satu dari empat regim aliran pada saluran terbuka iaitu :

a) Subgenting lamina Fr < 1.0, Re < 500

b) Genting lampau lamina Fr > 1.0, Re < 500

c) Subgenting gelora Fr < 1.0, Re > 12500

d) Genting lampau gelora Fr > 1.0, Re > 125001.7 JENIS-JENIS SALURAN TERBUKASaluran terbuka terdiri daripada saluran semulajadi dan saluran buatan. Saluran terbuka semulajadi ialah sungai, anak sungai atau sebarang saluran yang tidak direka oleh manusia. Sifat-sifat hidraulik bagi saluran terbuka semulajadi tidak tetap dan berubah-ubah dengan masa dan tempat. Saluran buatan ialah saluran yang direka oleh manusia seperti saluran pengairan, saluran banjir, tali air, parit dan pembetung. Sifat hidraulik bagi saluran buatan boleh dikawal untuk keadaan yang dikehendaki. Saluran jenis ini juga bersifat prismatik iaitu bentuk dan sifat hidrauliknya tidak berubah di sepanjang saluran.

Rajah 1.5: Sungai merupakan saluran terbuka semulajadi

Rajah 1.6: Terusan pengairan untuk projek pertanian

Rajah 1.7: Sistem perparitan Saluran buatan boleh dibahagikan kepada beberapa jenis iaitu :

a) Terusan : saluran terbuka yang panjang dan mempunyai kecerunan yang landai. Terusan wujud dalam keadaan berpermukaan tanah atau dilapit dengan konkrit, simen, papan atau lapisan buatan yang lain.

b) Flum : saluran terbuka yang dibina di atas permukaan tanah untuk mengalirkan air berdasarkan kepada perbezaan ketinggian. Biasanya diperbuat daripada keluli, papan, konkrit atau bata. Flum juga digunakan untuk saluran ujikaji di dalam makmal yang dibina untuk tujuan penyelidikan.

c) Pelongsor dan struktur penurun : pelongsor ialah saluran yang mempunyai kecerunan dasar yang curam. Struktur penurun juga mempunyai kecerunan dasar yang curam tetapi lebih pendek daripada pelongsor.

d) Pembetung : saluran yang tertutup dan membawa aliran di bawah permukaan tanah tetapi aliran tidak memenuhi keseluruhan luas keratannya. Aliran masih mempunyai permukaan bebas dan terdedah kepada tekanan atmosfera.

Rajah 1.8: Sistem pembetungan

Rajah 1.9: Flum

1.8 UNSUR-UNSUR GEOMETRI SALURANUnsur geometri saluran merupakan ukuran geometri keratan saluran dan ukur dalam aliran. Unsur-unsur ini amat penting dan digunakan di dalam pengiraan sesuatu aliran. Berikut merupakan takrifan unsur-unsur geometri yang melibatkan pengiraan aliran saluran terbuka.a) Ukur dalam aliran, y : ukuran jarak tegak daripada dasar saluran hingga ke permukaan air.

b) Ukur dalam rentas, d : ukur dalam aliran yang diambil normal dengan arah aliran. Bagi saluran yang berkecerunan , ukur dalam y bersamaan dengan d/kos . Sekiranya sudut adalah kecil maka y = d.

c) Aras, Z : ketinggian atau jarak tegak daripada permukaan air ke suatu datum yang dinyatakan.

d) Lebar permukaan air, T : ukuran lebar permukaan rentas saluran pada permukaan air.

e) Luas air, A : Luas keratan rentas air yang normal kepada arah aliran.

f) Lebar saluran, B : ukuran dari tebing ke tebing pada dasar saluran.g) Ukurlilit basah, P : panjang garisan sentuhan di antara air dengan sempadan saluran dalam arah aliran.

h) Ukur dalam hidraulik, D : nisbah luas air dengan lebar permukaan air iaitu D = A/T

i) Jejari hidraulik, R : nisbah luas air dengan perimeter basah iaitu R = A/P

j) Cerun tebing saluran, z : unit ufuk cerun tebing jika unit tegaknya ialah 1.

k) Cerun dasar saluran, S : Jika dasar saluran mempunyai sudut dengan ufuk, maka cerun dasar saluran, S = tan .

Rajah 1.9 menunjukkan berbagai bentuk geometri saluran terbuka beserta dengan unsur-unsur geometri.

Bentuk

ATP

T

y

B ByBB + 2y

T

1 1 y

z z

zy22zy2y

T

1 y

z

BBy + zy2B + 2zyB + 2y

T

D y

( sin )

dalam radian

D(sin )

atau

2

dalam radian

Rajah 1.9 Unsur-unsur geometri keratan saluran

LATIHAN

1) Ketumpatan minyak pada 20C ialah 950 kg/m3. Tentukan kelikatan kinematik jika kelikatan dinamik ialah 6 x 10-3 kg/ms.

2) Jika agihan halaju sesuatu cecair likat ( = 0.9 Ns/m2) terhadap suatu sempadan tetap diberikan oleh u = 0.68y y2 dengan u sebagai halaju dalam m/s pada jarak y meter di atas permukaan sempadan, tentukan tegasan ricih pada permukaan dan pada y = 0.34 m.

3) Kadaralir di hulu saluran ialah 1500 m3/s manakala pada masa yang sama, kadaralir di hilir saluran yang berjarak 3 km dari hulu saluran ialah 750 m3/s. Sekiranya saluran tersebut mempunyai keratan seragam dengan lebar 300 m, kira kadar perubahan kedalaman paras air dalam meter per jam. Adakah ia meningkat atau menurun?

4) Sebuah saluran berbentuk trapezoid yang mempunyai lebar dasar 3 m, kedalaman 4 m, ruang kelegaan freeboard ialah 1m dan nisbah kecondongan 1:3, tentukan nilai-nilai T, A, P dan R. Jika kos menyimen saluran ialah RM1.50 r/m2, kira harga untuk menyimen saluran ini jika panjang saluran ialah 150 m.

5) Sebuah saluran separuh bulat bergaris pusat 2.5 m membawa air dengan ukur dalam 0.5 m. Kira nilai-nilai T, A, P dan R. Jika kos mengorek ialah RM 3 r/m3 dan kos menyimen saluran ialah RM 2 r/m2, kira harga keseluruhan jika panjang saluran ialah 80 m.6) Ketinggian dasar di hilir satu saluran ialah 0.2 m di atas aras laut, manakala di hulunya ialah 0.8 m di atas aras laut. Jarak mendatar di antara dua titik ini ialah 5 km. Tentukan cerun dasar saluran ini.

EMBED MSPhotoEd.3

EMBED MSPhotoEd.3

EMBED MSPhotoEd.3

Zo

Agihan halaju

Aliran Berubah Cepat

Aliran Berubah Beransur

Aliran Tak Seragam

Aliran Seragam

Aliran Tak Tetap

Aliran Tetap

Aliran Saluran Terbuka

87

_1188139898.unknown

_1188160966.unknown

_1217325831.unknown

_1227477434.bin

_1228135200.bin

_1228135380.bin

_1217326084.unknown

_1188161238.unknown

_1188161309.unknown

_1188160166.unknown

_1188160465.unknown

_1188149201.unknown

_1188055976.unknown

_1188067312.unknown

_1188054172.unknown