Simulasi Pintu Air

Saluran Terbuka Pintu Air Loncat Hidraulik Interaktif Kurva Karakteristik

Simulasi Pintu Air dan Loncat Hidraulik

Atur kedalaman hulu, bukaan pintu, tailwater, lebar saluran, dan koefisien aliran. Seret langsung muka air hulu, bagian bawah pintu, atau muka air hilir pada gambar. Simulator menghitung debit, vena contracta, Froude, kedalaman pasangan, kehilangan energi, daya disipasi, klasifikasi loncat, dan kurva perubahan debit terhadap bukaan pintu.

Pengaturan parameterPengaturan → simulasi → pembacaan hasil → grafik → teori

Skenario siap pakai

Geometri dan kondisi muka air

Kedalaman hulu, y_h 1,60 m

Bukaan pintu, a 0,30 m

Kedalaman hilir, y_t 0,75 m

Lebar saluran, b 1,20 m

Koefisien dan tampilan

Koefisien debit, C_d 0,62

Koefisien kontraksi, C_c 0,61

Kecepatan animasi 1,0 x

Tampilkan dimensi dan garis bantu Tampilkan garis energi sederhana Koreksi debit saat pintu terendam

Cari bukaan untuk debit rencana

Masukkan Q rencana dalam m³/s.

Interaksi langsung pada visual: seret pegangan muka air hulu, bagian bawah pintu, atau muka air hilir. Koreksi pintu terendam memakai beda muka air hulu–hilir secara sederhana dan ditujukan untuk pembelajaran.

Air utama Jet superkritis Dasar saluran Energi spesifik

Posisi roller berubah mengikuti perbandingan tailwater terhadap kedalaman pasangan.

Pembacaan hasilRingkasan kondisi, kemudian rincian pada empat penampang kontrol

Kondisi awal menghasilkan loncat hidraulik yang relatif stabil.

Debit aktual0,000 m³/s

Rezim debit pintu-

Head efektif0,000 m

Debit ideal0,000 m³/s

Kedalaman vena contracta y₁0,000 m

Kecepatan jet V₁0,00 m/s

Froude awal Fr₁0,00

Jenis loncat-

Kedalaman kritis y_c0,000 m

Kedalaman pasangan y₂0,000 m

Kecepatan sesudah loncat V₂0,00 m/s

Froude sesudah loncat Fr₂0,00

Rasio tailwater y_t/y₂0,00

Kehilangan energi ΔE0,000 m

Energi terdisipasi0,0 %

Daya disipasi0,00 kW

Panjang loncat perkiraan0,00 m

Selisih momentum tailwater0,0 %

Kondisi loncat-

Debit per satuan lebar0,000 m²/s

Rincian kondisi pada penampang kontrol

Penampang	y (m)	V (m/s)	Fr	E = y + V²/2g (m)	M = y²/2 + q²/gy (m²)	Rezim

Nilai gaya spesifik M pada y₁ dan y₂ seharusnya sama secara teoritis. Selisih M pada tailwater menunjukkan apakah kedalaman hilir terlalu rendah atau terlalu tinggi untuk mempertahankan loncat pada posisi tersebut.

Kurva karakteristik pintu

Sumbu datar menunjukkan bukaan pintu. Debit dibaca pada sumbu kiri, sedangkan kedalaman pasangan y₂ dan tailwater dibaca pada sumbu kanan. Titik perpotongan y₂ dengan tailwater menandai bukaan yang mendukung loncat relatif stabil untuk kondisi muka air saat ini.

Debit Q Kedalaman pasangan y₂ Tailwater y_t Kondisi saat ini

Dasar teori pintu air dan loncat hidraulik

1. Fungsi pintu air

Pintu air atau sluice gate mengatur debit dan muka air dengan memaksa aliran melewati bukaan yang lebih kecil daripada kedalaman hulu. Penyempitan ini meningkatkan kecepatan dan menghasilkan jet tipis di bawah pintu. Jet tersebut biasanya superkritis dan dapat berubah kembali menjadi aliran subkritis melalui loncat hidraulik.

2. Head efektif dan debit

Pada aliran bebas, head efektif diukur dari muka air hulu ke pusat bukaan:

H = y_h - a/2

Q = C_d b a √(2gH)

Debit ideal diperoleh dengan C_d = 1. Debit aktual lebih kecil karena kontraksi dan kehilangan energi. Bila opsi koreksi pintu terendam diaktifkan dan muka air hilir menutupi bukaan, simulator memakai pendekatan:

Q = C_d b a √[2g(y_h - y_t)]

Persamaan pintu terendam di atas merupakan pendekatan sederhana untuk pembelajaran. Koefisien debit yang sesuai kondisi lapangan tetap harus diperoleh dari literatur, kalibrasi, atau pengujian model.

3. Vena contracta

Garis arus masih berkumpul sesaat setelah melewati pintu sehingga ketebalan jet mencapai minimum pada vena contracta. Kedalamannya diperkirakan dengan:

y₁ = C_ca     V₁ = Q/(b y₁)

4. Bilangan Froude dan kedalaman kritis

Fr = V/√(gy)     y_c = (q²/g)^1/3

• Fr < 1: aliran subkritis.
• Fr = 1: aliran kritis.
• Fr > 1: aliran superkritis.

Jet di bawah pintu umumnya memiliki y₁ < y_c dan Fr₁ > 1. Setelah loncat, kedalaman meningkat, kecepatan turun, dan Fr menjadi lebih kecil dari satu.

5. Kedalaman pasangan dari momentum

Energi tidak kekal di dalam loncat karena turbulensi sangat besar, tetapi momentum arah aliran dapat dipakai untuk menghubungkan kedalaman sebelum dan sesudah loncat:

y₂ = (y₁/2)[√(1 + 8Fr₁²) - 1]

Hubungan yang sama dapat dinyatakan dengan gaya spesifik per satuan lebar:

M = y²/2 + q²/(gy)     M₁ = M₂

6. Tailwater dan posisi loncat

Perbandingan yt/y₂	Kondisi	Respons fisik
Jauh di bawah 1	Loncat tersapu ke hilir	Jet tipis bertahan lebih panjang dan roller terbentuk jauh dari pintu.
Mendekati 1	Loncat relatif stabil	Tailwater menyediakan kedalaman yang hampir sama dengan kedalaman pasangan.
Lebih besar dari 1	Loncat terdorong atau terendam	Roller bergerak mendekati pintu dan tertutup air hilir.

7. Klasifikasi loncat berdasarkan Fr₁

Fr₁	Jenis loncat	Ciri umum
1,0–1,7	Undular	Gelombang permukaan muncul, roller belum berkembang penuh.
1,7–2,5	Weak	Roller kecil dan disipasi energi terbatas.
2,5–4,5	Oscillating	Jet dan roller berosilasi; kondisi kurang stabil.
4,5–9,0	Steady	Roller relatif stabil dan disipasi energi efektif.
> 9,0	Strong	Turbulensi dan kehilangan energi sangat besar.

8. Kehilangan energi dan daya disipasi

ΔE = (y₂ - y₁)³/(4y₁y₂)

P_d = ρgQΔE

Daya disipasi menunjukkan laju energi yang diubah menjadi turbulensi, aerasi, panas, dan suara. Besaran ini membantu menjelaskan mengapa kolam olak diperlukan untuk melindungi dasar saluran dari gerusan.

9. Panjang loncat

L_j ≈ 6(y₂ - y₁)

Persamaan ini hanya perkiraan visual. Panjang aktual dipengaruhi Fr₁, kekasaran dasar, kemiringan, aerasi, dan bentuk kolam olak. Dalam desain, gunakan hubungan empiris yang direkomendasikan standar terkait.

10. Contoh perhitungan

Misalkan y₁ = 0,20 m dan Fr₁ = 4,0. Maka:

y₂ = (0,20/2)[√(1 + 8 × 4,0²) - 1] ≈ 1,04 m.

Agar loncat relatif stabil, tailwater perlu mendekati 1,04 m. Bila tailwater hanya 0,50 m, loncat akan bergeser ke hilir; bila tailwater 1,50 m, roller akan terdorong ke arah pintu dan mulai terendam.

11. Eksperimen yang disarankan

1. Tekan preset Loncat stabil, lalu turunkan tailwater sedikit demi sedikit.
2. Perkecil bukaan pintu pada muka air hulu tetap dan amati perubahan Fr₁ serta y₂.
3. Naikkan C_d tanpa mengubah C_c dan perhatikan peningkatan kecepatan jet.
4. Aktifkan koreksi pintu terendam, kemudian naikkan tailwater hingga menutupi bukaan.
5. Gunakan pencari bukaan untuk debit rencana, lalu baca posisi titik pada kurva karakteristik.

Catatan lanjut: mengapa loncat dihitung dengan momentum, bukan energi?

Di dalam roller terjadi pusaran besar, entrainment udara, dan fluktuasi tekanan. Energi mekanik berkurang sangat nyata sehingga persamaan energi antara y₁ dan y₂ memerlukan kehilangan energi yang belum diketahui. Sebaliknya, resultan gaya luar pada kontrol volume pendek di sekitar loncat dapat dihitung, sehingga persamaan momentum langsung menghasilkan hubungan kedalaman pasangan. Setelah y₂ diketahui, kehilangan energi baru dihitung dari selisih energi spesifik kedua penampang.

Batas model: saluran dianggap persegi panjang, aliran dianggap tunak dan satu dimensi, tekanan di luar roller dianggap hidrostatik, serta panjang loncat memakai pendekatan empiris sederhana. Gesekan sepanjang saluran, kemiringan dasar, aerasi rinci, distribusi tekanan pada pintu, dan desain blok kolam olak belum dimodelkan. Hasil cocok untuk pembelajaran dan pembacaan kecenderungan, bukan pengganti desain rinci.