Simulasi Distribusi Kecepatan pada Saluran Terbuka

Saluran TerbukaDistribusi Kecepatan2DManningInteraktif

Distribusi Kecepatan pada Saluran Terbuka

Simulasi 2D ini memperlihatkan bahwa kecepatan tidak seragam di seluruh penampang. Aliran cenderung lebih cepat di bagian tengah dan sedikit di bawah muka air, sedangkan pengaruh gesekan membuat aliran lebih lambat di dekat dasar serta tanggul. Ubah geometri, kemiringan, dan kekasaran Manning untuk melihat perubahan pola dan besar kecepatannya.

1. Pengaturan parameter

Bentuk saluranTrapesium

TrapesiumPersegiSegitiga

Lebar dasar, b4,00 m

Kedalaman air, y1,50 m

Kemiringan sisi, z (H:1V)1,50

Kemiringan dasar, S0,0015

Manning dasar, n_dasar0,018

Manning tanggul/dinding, n_dinding0,025

Elevasi profil lateral0,65 y

Kecepatan animasi1,0 x

Partikel pada tampak samping Dimensi dan label

Interaksi langsung: seret garis muka air pada penampang melintang untuk mengubah kedalaman. Penampang melintang menampilkan peta warna distribusi kecepatan tanpa panah, sehingga pengaruh dasar dan tanggul dapat dilihat dengan lebih bersih. Distribusi kecepatan tetap diperjelas lagi pada tampak samping melalui lintasan dan laju partikel.

2. Visualisasi simulasi

Penampang melintang 2DPeta warna distribusi kecepatan, geometri penampang, dan kekasaran batas

Tampak samping 2D—distribusi kecepatanPartikel bergerak dengan laju berbeda pada setiap posisi vertikal dan zona dekat tanggul

Skala kecepatan lokalVmax = 0,00 m/s

0,000,000,000,000,00 m/s

Zona maksimumTengah, sedikit di bawah permukaan0,00 m/s

Dekat dasarGesekan dasar menurunkan kecepatan0,00 m/s

Dekat tanggulGesekan lateral menurunkan kecepatan0,00 m/s

Rata-rata penampangNilai Manning untuk seluruh penampang0,00 m/s

Tengah—dekat permukaanLintasan tercepat0,00 m/s

Tengah—kedalaman menengahLebih lambat dari zona maksimum0,00 m/s

Dekat tanggulDipengaruhi kekasaran dinding0,00 m/s

Dekat dasarDipengaruhi kekasaran dasar0,00 m/s

Kemiringan pada tampak samping dibesarkan secara visual agar mudah dilihat. Kedalaman dianggap seragam sepanjang saluran.

3. Pembacaan hasil

Bagian tengah lebih cepat, sedangkan dekat dasar dan tanggul lebih lambat.

Luas aliran0,00 m²

Keliling basah0,00 m

Jari-jari hidrolik0,00 m

Manning ekuivalen0,000

Kecepatan rata-rata0,00 m/s

Debit0,00 m³/s

Kecepatan maksimum0,00 m/s

Dekat tanggul0,00 m/s

Dekat dasar0,00 m/s

Bilangan Froude0,00

Komponen	Nilai	Interpretasi pembelajaran

4. Grafik profil kecepatan

Profil vertikal pada garis tengah saluran.

Profil lateral pada elevasi yang dipilih.

5. Teori lengkap

A. Cara menggunakan simulasi

1. Pilih bentuk saluran: persegi, trapesium, atau segitiga.
2. Atur lebar, kedalaman, kemiringan sisi, kemiringan dasar, serta nilai Manning.
3. Amati perbedaan kecepatan partikel pada lintasan tampak samping.
4. Bandingkan gerak partikel pada tampak samping.
5. Baca hasil rata-rata, profil vertikal, dan profil lateral.

B. Geometri penampang

Untuk saluran trapesium dengan lebar dasar b, kedalaman y, dan kemiringan sisi z horizontal terhadap satu vertikal:

A = by + zy²

P = b + 2y√(1 + z²),    T = b + 2zy,    R = A/P,    D = A/T

Pada saluran persegi, z = 0. Pada saluran segitiga, b = 0.

C. Kecepatan rata-rata menurut Manning

V̄ = (1/n)R^2/3S^1/2

Q = AV̄

Persamaan Manning menghasilkan kecepatan rata-rata penampang. Ia tidak langsung memberikan kecepatan di setiap titik. Karena itu, simulator terlebih dahulu menghitung kecepatan rata-rata, kemudian membentuk distribusi lokal yang rata-ratanya dikalibrasikan kembali agar sama dengan nilai Manning.

D. Kekasaran komposit dasar dan dinding

Jika dasar dan dinding mempunyai nilai Manning berbeda, simulator memakai pendekatan kekasaran komposit berbasis pembagian perimeter basah:

n_eq = [Σ(P_in_i^3/2)/P]^2/3

Akibatnya, peningkatan kekasaran dasar atau tanggul akan menaikkan n ekuivalen dan menurunkan kecepatan rata-rata. Kekasaran dinding yang tinggi juga memperlebar zona kecepatan rendah di dekat tanggul.

E. Mengapa kecepatan lokal tidak seragam?

• Dekat dasar: tegangan geser dan kondisi tanpa-slip menurunkan kecepatan menuju nol tepat pada batas padat.
• Dekat tanggul: gesekan lateral menurunkan kecepatan.
• Bagian tengah: pengaruh kedua batas lebih kecil sehingga kecepatannya lebih tinggi.
• Dekat permukaan: kecepatan besar, tetapi kecepatan maksimum dapat muncul sedikit di bawah permukaan akibat sirkulasi sekunder dan fenomena velocity dip.

F. Bilangan Froude dan tegangan geser

Fr = V̄/√(gD)

τ̄ = ρgRS

Fr < 1 menunjukkan aliran subkritis, sedangkan Fr > 1 menunjukkan aliran superkritis. Tegangan geser rata-rata memberi gambaran gaya penggerak yang bekerja pada dasar dan dinding saluran.

G. Pengaruh parameter

Parameter dinaikkan	Pengaruh utama	Yang terlihat pada simulasi
Kemiringan dasar S	Kecepatan dan debit meningkat	Warna bergeser ke kuning–jingga dan partikel bergerak lebih cepat
Manning dasar	Kecepatan rata-rata menurun	Zona lambat dekat dasar menjadi lebih kuat
Manning tanggul	Kecepatan rata-rata menurun	Zona lambat dekat sisi melebar
Kedalaman	Luas dan jari-jari hidrolik berubah	Debit dan bentuk distribusi berubah
Lebar saluran	Proporsi pengaruh dinding berubah	Saluran lebar mempunyai bagian tengah yang relatif lebih dominan

H. Contoh perhitungan kondisi aktif

Nilai contoh akan diperbarui mengikuti parameter simulasi.

I. Eksperimen pembelajaran

• Bandingkan beton halus dan saluran tanah dengan geometri serta kemiringan yang sama.
• Pilih preset tanggul bervegetasi, lalu bandingkan kecepatan di tengah dan dekat tanggul.
• Naikkan kemiringan dasar tanpa mengubah parameter lain.
• Bandingkan penampang persegi dan trapesium dengan luas yang mendekati sama.
• Ubah elevasi profil lateral untuk membandingkan profil dekat dasar dan dekat permukaan.

Batas model: distribusi lokal merupakan model edukatif yang menggunakan bentuk profil empiris sederhana. Persamaan Manning dipakai untuk kecepatan rata-rata, sedangkan pola warna lokal bukan hasil CFD atau pengukuran ADV. Simulator tidak memperhitungkan tikungan, turbulensi tiga dimensi, perubahan muka air sepanjang saluran, sedimen, atau variasi kekasaran secara longitudinal.