Aliran superkritis

Aliran superkritis adalah salah satu klasifikasi aliran pada saluran terbuka yang kedalamannya kurang dari kedalaman kritis. Hal ini disebabkan oleh kemiringan saluran yang lebih tinggi daripada kemiringan kritisnya. Aliran superkritis juga dapat didefinisikan sebagai aliran yang kecepatan alirannya lebih dari kecepatan gelombang permukaan elementernya. Gelombang permukaan elementer adalah gelombang yang muncul akibat sebutir batu yang dijatuhkan ke air yang dangkal.

Aliran air yang keluar dari keran dan turun ke bak berbahan metal adalah aliran superkritis. Aliran ini diikuti bersama-sama dengan sebuah lompatan hidraulik dan aliran subkritis

Aliran superkritis cenderung didominasi oleh gaya inersia dibandingkan gaya gravitasi. Karakteristik aliran ini dapat dilihat dari alirannya yang cepat dan tidak stabil. Aliran superkritis dapat bertransisi ke aliran subkritis melalui fenomena lompatan hidraulik. Lompatan hidraulik ini menyebabkan banyak energi yang hilang serta dapat bersifat erosif bagi permukaan tanah di bawahnya.

Aliran superkritis, bersama dengan aliran kritis dan aliran subkritis, bermanfaat untuk mendeskripsikan profil suatu aliran pada saluran terbuka untuk keperluan perencanaan irigasi dan drainase.

Representasi dalam persamaan

Suatu aliran dapat dikatakan sebagai aliran superkritis ketika bilangan Froude aliran tersebut lebih dari satu. Persamaan bilangan Froude merupakan penurunan dari persamaan energi spesifik. Energi spesifik dalam suatu penampang saluran adalah tinggi energi (energi per berat satuan air) pada sembarang penampang saluran yang diukur dari dasar saluran tersebut. Untuk saluran dengan kemiringan kecil dan koefisien koriolis ($\alpha$) = 1, energi spesifiknya adalah:

$E=y+{V^{2} \over 2g}$ dengan,

$y$ = kedalaman saluran ($m$);

$V$ = kecepatan aliran ($m/s$);

$g$ = percepatan gravitasi bumi ($m^{2}/s$).

Karena $V=Q/A$ (persamaan debit aliran), persamaan di atas menjadi

$E=y+{Q^{2} \over 2gA^{2}}$

Aliran kritis adalah kondisi aliran saat energi spesifiknya dalam kondisi minimum untuk suatu debit tertentu. Hal ini dapat dicapai dengan mendiferensiasikan persamaan di atas terhadap kedalaman, yakni yang bisa dirumuskan dengan rumusan sebagai berikut.

${dE \over dy}=1-{Q^{2} \over gA^{2}}{dA \over dy}=1-{V^{2} \over gA}{dA \over dy}$

Kondisi energi spesifik minimum terjadi ketika gradien pada kurva energi spesifik sama dengan nol ($dE/dy=0$):

${dE \over dy}=1-{V^{2} \over gA}{dA \over dy}=0$ $\equiv {V^{2} \over gA}{dA \over dy}=1$

Karena penurunan luas basah terhadap kedalaman adalah lebar puncak ($dA/dy=T$) dan kedalaman hidraulik didefinisikan sebagai rasio luas basah dengan lebar puncak ($D=A/T$), persamaan di atas menjadi:

${V^{2}T \over gA}=1$ $\equiv {V^{2} \over gD}=1$

Persamaan di atas dikenal dengan sebutan bilangan Froude untuk aliran kritis. Untuk aliran lainnya, bilangan Froude dirumuskan sebagai:

$Fr={V^{2} \over gD}$

Artinya,

• Aliran kritis terjadi ketika $Fr=1$;
• Aliran superkritis terjadi ketika $Fr>1$;
• Aliran subkritis terjadi ketika $Fr<1$.