PROSES TRANSPORTASI SEDIMEN DI LINGKUNGAN PESISIR
Definisi: kecepatan pengendapan atau kecepatan jatuh atau kecepatan terminal (w_s) dari partikel sedimen didefinisikan sebagai tingkat di mana sedimen mengendap dalam keadan cair. Ini merupakan diagnostik ukuran butir, tetapi juga peka terhadap bentuk (kebulatan dan kebulatan) dan kepadatan buliran serta viskositas dan densitas fluida. Ini mengintegrasikan semua ini menjadi parameter transportasi utama.
Viskositas: Viskositas dinamis (μ, massa = panjang = waktu) dan viskositas kinematik (v = μ/ρ, length2 = waktu) dari pengaruh pengendapan kecepatan cairan. Visikositas tergantung pada suhu. Nilai viskositas udara, air murni, dan air laut yang diberikan pada catatan.
Keseimbangan gaya pada pengendapan partikel.
Suatu partikel yang mengendap dalam air karena adanya gaya gravitasi akan mengalami percepatan sampai gaya dari tahanan dapat mengimbangi gaya gravitasi, setelah terjadi kesetimbangan partikel akan terus mengendap pada kecepatan kostan yang dikenal sebagai kecepatan akhir atau kecepatan pengendapan bebas.
Laju pengendapan partikel dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu :
Berat jenis air
Berat jenis partikel padatan
Viskositas air
Aliran dalam bak pengendapan
Bentuk dan ukuran partikel
Berat jenis fluida lebih besar dari pada berat jenis partikel padatanya, maka laju pengendapanya lamban. Begitu juga sebaliknya, semakin besar berat jenis partikel maka laju pengendapannya cepat.
Laju pengendapan sangat dipengaruhi oleh viskositas dimana viskositas sangat berkaitan erat dengan suhu yang ada. Bila temperatur tinggi maka viskositas menurun sehingga bantuk dan ukuran partikel semakin kecil sehingga laju pengendapan cepat.
Kemajuan dalam memprediksi kecepatan pengendapan sedimen datang dari kerja teoritis dan laboratorium dari sebuah sekolah. Gaya gravitasi, daya apung, dan gaya dorong atas partikel dalam fluida merupakan gaya-gaya yang terjadi pada proses pengendapan partikel.
Gravitasi: Gaya gravitasi bersih merupakan perbedaan antara berat dan daya apung (FG = ρsVg, Fb = ρVg) di mana ρs dan ρ adalah sedimen dan densitas cairan, V adalah volume partikel sedimen, dan g adalah percepatan gravitasi (g ≈ 980cm/s2 = 9.8m = s2). Jika kita mendefinisikan positif ke bawah, gaya gravitasi bersih pada partikel itu adalah.
Catatan: Gaya (F) (massa x percepatan) memiliki satuan Newton (SI) atau dyne, di mana 1 N = 1 kgm/s2, 1 dy = 1 gcm/s2, and 1 N = 105dy.
Untuk bidang, volume, V= 4/3 πr^3= π/6 D^3,, di mana D adalah diameter butiran. gaya gravitasi bersih atas sebuah bidang adalah itu adalah Persamaan 2. Gaya gravitasi bersih ke bawah (positif) adalah sedimen yang lebih padat dari cairan, dan ke atas (kurang dari nol) adalah sedimen kurang padat dari pada cairan.
Bayangkan sebutir sedimen awalnya saat istirahat. Setelah gaya gravitasi mulai mempercepat partikel, kecepatannya meningkat. Sedimen, sekarang bergerak melalui fluida, akan merasakan gaya dorong gesekan, FD, yang sebanding dengan kuadrat dari kecepatan relatif dari partikel dalam cairan. FD akan meningkat karena partikel mempercepat, sampai, akhirnya, gaya dorongan persis menyeimbangkan gaya gravitasi bersih. Pada saat itu, sedimen telah mencapai kecepatan jatuh terminal.
Gaya Dorong: Kekuatan dorong tergantung pada bentuk partikel, ukuran, dan kecepatan relatif, dan densitas dan viskositas fluida.
di mana u adalah kecepatan partikel relatif terhadap fluida, dan A adalah luas cross sectional dari tegak lurus partikel lintasan. Hambatan koefisien, CD, adalah nomor non-dimensi yang tergantung pada bentuk partikel, viskositas kinematik fluida, dan ukuran butir. Kita dapat melihat dari Persamaan 3, bahwa gaya dorong akan meningkat dengan kuadrat dari kecepatan dari sebuah pengendapan partikel.
Gaya total pada partikel akan menjadi perbendaan antara gaya gravitasi bersih dan gaya dorongan, Fg – FD. Setelah gaya dorongan meningkat ke titik di mana keseimbangan gaya gravitasi (FD = Fg), partikel akan berhenti untuk mempercepat dan akan telah mencapai kecepatan terminal.
Pada titik ini kecepatan dalam Persamaan 3 sama dengan kecepatan pengendapan, u = ws. Dengan menyamakan hukum dorongan (Persamaan 3) dengan definisi gaya gravitasi bersih (Persamaan 1), dan menggantikannya ws untuk u kita mendapatkan hukum umum untuk menyelesaikan:
Koefisien dorong: Untuk melangkah lebih jauh dengan ini, kita perlu berpikir tentang koefisien dorongan, CD. Koefisien dorongan telah didefinisi untuk objek dengan bentuk berbeda, dan studi laboratorium telah digunakan untuk merencanakan koefisien dorong untuk berbagai karakteristik ow. Untuk kasus pengendapan butiran alami, satu pendekatan adalah dengan menggunakan hubungan teoritis dan empiris yang diperoleh untuk lingkungan yang sempurna, dan kemudian menyesuaikan mereka untuk menjelaskan berbagai bentuk sedimen alami.
Hukum Stoke
Gaya gesek antara permukaan benda padat yang bergerak dengan fluida akan sebanding dengan kecepatan relatif gerak benda ini terhadap fluida. Hambatan gerak benda di dalam fluida disebabkan oleh gaya gesek antara bagian fluida yang melekat ke permukaan benda dengan bagian fluida di sebelahnya. Gaya gesek itu sebanding dengan koefisien viskositas (η) fluida. Menurut Stokes, gaya gesek adalah:
Fs=6 π r η v
Keterangan: Fs : gaya gesek (N) r : jari-jari benda (m) v : kecepatan jatuh dalam fluida (m/s)
Persamaan di atas dikenal sebagai hukum Stokes. Penentuan η dengan mengunakan hukum Stokes dapat dilakukan dengan percobaan kelereng jatuh. Sewaktu kelereng dijatuhkan ke dalam bejana kaca yang berisi cairan yang hendak ditentukan koefisien viskositasnya, kecepatan kelereng semakin lama semakin cepat. Sesuai dengan hukum Stokes, makin cepat gerakannya, makin besar gaya geseknya. Hal ini menyebabkan gaya berat kelereng tepat setimbang dengan gaya gesek dan kelereng jatuh dengan kecepatan tetap sebesar v sehingga berlaku persamaan:
w = Fs
m . g = 6 π r η v
Penyelesaian Hukum Stoke berasal dari penyederhanaan Persamaan 4 untuk kasus sebuah bidang kecil. Koefisien dorongan dari bidang telah ditemukan menjadi fungsi dari sejumlah nomor non dimensional, partikel bilangan Reynolds, R_D uD/v, dimana u, D, dan v adalah kecepatan, diameter bidang, dan viskositas kinematik. Partikel Reynolds digunakan untuk menunjukkan apakah lapisan batas di sekitar partikel adalah turbulen atau laminar, dan hambatan yang diberikan akan bergantung pada hal ini. Catatan memberikan hubungan antara koefisien dorongan dan partikel bilangan Reynolds untuk lingkungan.
Bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia (vsρ) terhadap gaya viskos (μ/L) yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen.
Bilangan Reynold merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang paling penting dalam mekanika fluida dan digunakan, seperti halnya dengan bilangan tak berdimensi lain, untuk memberikan kriteria untuk menentukan dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda pula, memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan, keduanya disebut memiliki kemiripan dinamis.
Untuk bilangan Reynolds partikel kecil (RD <0:5, RD≪1);
Dengan mengganti koefisien hambatan untuk bidang (Persamaan 5) ke dalam Persamaan 4 kita mendapatkan hukum pengendapan untuk partikel-rendahnya jumlah Reynolds (RD≫ 1);
Jika kita selanjutnya mengasumsikan bahwa partikel adalah bidang yang ideal, istilah geometris penyederhanaan: VD/A=(2D^2)/3 ini dapat disederhanakan untuk memperoleh Hukum Stoke tentang Pembenahan perlakuan untuk butiran kecil yang bentuknya mendekati bidang:
Untuk bidang, RD < 0.5:
Untuk air (ν ≈ 0.01cm2 / s), partikel bilangan Reynolds adalah RD =uD/v≈100 (s/(cm^2 ))uD. Ukuran ini bisa kurang dari 0.5, uD < 0:005cm2/s. Bahkan kecepatan butiran-butiran kecil akan melebihi ini. Sebagai contoh, sedimen berukuran 0.01cm = D memiliki kecepatan pengendapan w_s=0,075 cm⁄s. Ini kisaran Stoke (Dw_s=0,075 〖cm〗^2⁄s>0,005 〖cm〗^2⁄s). Sedimen berukuran 3.5 ∅ mendekati kisaran Stoke, karena sedimen, D = 0,0088 cm dan w_s = 0:0053 cm / s, memberikan Dw_s ≈ 0:0053 〖cm〗^2⁄s. Jadi, di dalam air, kisaran Stoke termasuk sedimen yang berukuran 3.5 ∅ dan halus. Hukum Stoke adalah dasar untuk mengukur “diameter efektif” dari partikel yang mengendap. Kecepatan pengendapan telah diukur, dan kemudian diameter dari lapisan yang seimbang didukung dari Persamaan 7.
Untuk meringkas, dalam kisaran Stoke, (R_D<0,5; R_D< <1); kecepatan pengendapan meningkat dengan D^2(Persamaan 7). Di atas kisaran Stoke (〖10〗^3 ≤ R_D ≤ 〖10〗^5), ada
porsi yang signifikan yaitu dari kurva C_D vs.R_D di mana C_D tetap konstan.
Di sini, w_s α √D.
Menyelesaikan kurva Dietrich.
Banyak partikel alami terlalu kasar untuk diselesaikan dengan Hukum Stoke, dan partikel alami tidak selalu berbentuk bidang. Partikel alam cenderung memiliki kecepatan pengendapan yang lebih rendah dari kecepatan bidang bulat sempurna. Partikel alami akan cenderung memiliki kecepatan pengendapan yang rendah karena kedua penurunan kebulatan dan peningkatan kekakuan karena kekurusan cenderung mengurangi kecepatan pengendapan. Partikel lonjong lebih (kurang bulat) cenderung memiliki kecepatan pengendapan lebih rendah karena (1) area yang lebih luas – berpetak-petak cenderung diarahkan tegak lurus untuk mengangkut jalan, (2) pemisahan aliran (meningkat dorong) adalah lebih mungkin terjadi untuk partikel non-bulat, dan (3) lonjong partikel dapat memutar, bergoyang-goyang mengikuti jalan , dll karena mereka mengendap. Partikel bersiku-siku juga cenderung memiliki kecepatan pengendapan lebih rendah dari yang bulat, karena peningkatan kekasaran permukaan partikel menambah silang untuk partikel yang berukuran biasa.
Cara tradisional untuk memperkirakan kecepatan pengendapan adalah dengan menggunakan Persamaan 4, dengan asumsi bahwa koefisien hambatan dapat diperkirakan dengan hubungkitari lingkungan, dan kemudian menerapkan faktor koreksi untuk penyimpangan kebulatan dan kekurusan. Untuk melakukan ini, Kita bisa menebak kecepatan pengendapan, dengan menggunakannya bilangan Reynolds ( R_D= (W_s D )/v ), Menggunakan bilangan Reynolds dan grafik untuk memperkirakan koefisien hambatan, dan kemudian menghitung kecepatan pengendapan menggunakan Persamaan 4. Perbaikan kecepatan pengendapan akan digunakan pada pengulangan berikutnya, dan proses bisa berlanjut sampai kecepatan pengendapan konvergenKemudian , faktor koreksi akan diterapkan untuk memperhitungkan variasi bentuk.
Dietrich (1982) mencatat bahwa ini aneh, dan menyarankan lebih mudah cara memperkirakan pengendapan kecepatan. Dia lebih jauh mencatat bahwa banyak dari kita sangat prihatin dengan partikel alam dan membatasi data dalam meggunakan analisis untuk menyelesaikan kecepatan yang diperoleh untuk lingkungan dan alam seperti partikel sedimen. Ia mengusulkan menggunakan nomor non-dimensi lainnya (W_*, yang meliputi pengendapan kecepatan, dan D_*, yang termasuk diameter butiran ) untuk memetakan hubungan antara pengendapan kecepatan dan ukuran butir. The non-dimensi kecepatan pengendapan, W_* ini adalah rasio dari partikel bilangan Reynolds
dengan koefisien dorongan; W_*= 4/3 R_D/C_D ;
Ketika ukuran butir non-dimensi ( D_*= 3/4 C_D R_D^2 ) membandingkan dorongan dan gaya gravitasi pada partikel:
Dietrich melaporkan data yang tersedia, dan mencatat bahwa sedimen alami cenderung lebih bervariasi sehubungan dengan kebulatan (seperti dinyatakan oleh Corey Shape Factor) lebih banyak mereka melakukan kekurusan. Gambar -Nya 8 (catatan disediakan) memberikan berbagai plot W_* vs.D_* untuk sedimen berukuran alami, sebagai fungsi dari CSF.
Faktor Rumit
Analisis di atas mengasumsikan bahwa partikel tunggal mengendap di air, dan tidak terpengaruh oleh partikel lain di dalam air. Ini juga mengasumsikan bahwa koefisien parameterizes dorongan pada partikel diperkirakan oleh koefisien hambatan untuk permukaan. Di lingkungan laut, dimana butiran lanau dan tanah liat yang hadir, asumsi ini tidak dapat dipegang .
Pertama, partikel dapat terflokulasi dan menjadi besar, kurang padat, kelompok partikel. Kecepatan pengendapan ini akan lebih besar daripada butiran yang terlihat jika biji-bijian tetap dipisahkan dalam kolom air .
Kedua, pada konsentrasi tinggi, kembalinya aliran air di sekitar partikel dapat membuat hambatan ke atas pada partikel tetangga. Dalam endapan yang terhalang, ini menjadi cukup besar untuk menjaga cairan sedimen, dan untuk mencegah pengendapan. Pengendapan yang terhalang sering dicatat dengan memperkirakan sebuah kecepatan pengendapan sebenarnya, ws^’; dmna , ws^’ = w_s (1 – cs)n. Di sini , cs adalah volume – konsentrasi sedimen, dan n adalah parameter yang tergantung pada partikel bilangan Reynolds ( biasanya n 4.6≈2.3): ,