Overview
מקור: דייוויד גואו, המכללה להנדסה, טכנולוגיה ואווירונאוטיקה (CETA), אוניברסיטת דרום ניו המפשייר (SNHU), מנצ'סטר, ניו המפשייר
צינור פיטו-סטטי נמצא בשימוש נרחב למדידת מהירויות לא ידועות בזרימת האוויר, למשל, הוא משמש למדידת מהירות טיסה של מטוס. לפי העיקרון של ברנולי, מידת האוויר קשורה ישירות לשינויים בלחץ. לכן, הצינור הפיתות-סטטי חש בלחץ הקיפאון ובלחץ הסטטי. הוא מחובר למנומטר או מתמר לחץ כדי לקבל קריאות לחץ, המאפשר חיזוי של מסלול אוויר.
בניסוי זה, מנהרת רוח משמשת ליצירת במהירות אווירית מסוימת, אשר מושווה נגד תחזיות צינור פיטו-סטטי. גם הרגישות של הצינור הסטטי פיתות עקב אי התאמה ביחס לכיוון הזרימה נחקרת. ניסוי זה ידגים כיצד מהירות זרימת האוויר נמדדת באמצעות צינור פיטו-סטטי. המטרה תהיה לחזות את מהירות זרימת האוויר בהתבסס על מדידות הלחץ שהושגו.
Principles
העיקרון של ברנולי קובע כי עלייה במהירות הנוזל מתרחשת בו זמנית עם ירידה בלחץ ולהיפך. באופן ספציפי, אם המהירות של נוזל יורד לאפס, אז הלחץ של הנוזל יגדל למקסימום שלה. זה ידוע בשם לחץ קיפאון או לחץ מוחלט. צורה אחת מיוחדת של משוואת ברנולי היא כדלקמן:
לחץ קיפאון = לחץ סטטי + לחץ דינמי
כאשר לחץ הקיפאון, Po, הוא הלחץ אם מהירות הזרימה מופחתת לאפס איסנטרופית, הלחץ הסטטי, Ps, הוא הלחץ שהנוזל שמסביב מפעיל על נקודה נתונה, והלחץ הדינמי, Pd, המכונה גם לחץ איל, קשור ישירות לצפיפות הנוזלים, ρ, ומהירות הזרימה, V,לנקודה נתונה. משוואה זו חלה רק על זרימה בלתי ניתנת לריסון, כגון זרימת נוזלים וזרימת אוויר במהירות נמוכה (בדרך כלל פחות מ-100 מ'/ש').
מהמשוואה לעיל, אנו יכולים לבטא מהירות זרימה, V, במונחים של דיפרנציאל לחץ וצפיפות נוזלים כמו:
במאה ה-18 המציא המהנדס הצרפתי אנרי פיטו את צינור הפיתות [1], ובאמצעהמאה ה-19, המדען הצרפתי הנרי דארסי שינה אותו לצורתו המודרנית [2]. בתחילת המאה ה -20, האווירודינמיקאי הגרמני לודוויג פראנדל שילב את מדידת הלחץ הסטטי ואת צינור פיטו לתוך הצינור פיטו-סטטי, אשר נמצא בשימוש נרחב היום.
תרשים של צינור פיתות-סטטי מוצג באיור 1. יש 2 פתחים בצינורות: פתח אחד פונה לזרימה ישירות כדי לחוש את לחץ הקיפאון, והשני נפתח בניצב לזרימה כדי למדוד את הלחץ הסטטי.
איור 1. סכמטי של צינור פיתות-סטטי.
הפרש הלחץ נדרש כדי לקבוע את מהירות הזרימה, אשר נמדד בדרך כלל על ידי מתמרים לחץ. בניסוי זה, מנומטר טור נוזלי משמש כדי לספק חזותי טוב כדי למדוד את השינוי בלחץ. הפרש הלחץ נקבע כדלקמן:
כאשר Δh הוא הפרש הגובה של המנומטר, ρL הוא צפיפות הנוזל במנומטר, ו- g הוא התאוצה עקב כוח המשיכה. שילוב משוואות 2 ו- 3, מהירות הזרימה צפויה על-ידי:
Procedure
1. הקלטת קריאות לחץ של מד המנומטר עם שינויים במהירות האוויר.
- חבר את שני הלידים של הצינור הסטטי פיתות לשני הנמלים של המנומטר. יש למלא את המנומטר בשמן צבעוני ומסומן כטקסי סיום של אינץ'.
- הכנס את הצינור פיטו-סטטי לתוך ההתאמה השחלה, כך ראש החישה הוא במרכז קטע הבדיקה של מנהרת הרוח ואת הצינור מצביע במעלה הזרם. קטע הבדיקה צריך להיות 1 רגל x 1 רגל, ומנהרת הרוח אמורה להיות מסוגלת לקיים במהירות אווירית של 140 קמ"ש.
- השתמש בתגלה נטיות כדי להתאים את הצינור הסטטי פיתות לזווית אפס התקפה.
- הפעל את מנהרת הרוח במהירות של 50 קמ"ש ולאחר מכן להקליט את הפרש הלחץ לקרוא במנומטר.
- הגדל את במהירות האוויר במנהרת הרוח ב-10 קמ"ש ותיעד את הפרש הלחץ במנומטר.
- חזור על הפעולה 1.5 עד שהמהיר יגיע ל-130 קמ"ש. הקלט את כל התוצאות.
2. לחקור את הדיוק של צינורות פיטו-סטטי עם זווית התקפה חיובית.
- השתמש בתגלה הנטייה כדי להתאים את זווית ההתקפה לחיובית של 4 מעלות.
- הפעל את מנהרת הרוח במהירות של 160 קמ"ש, ותיעד את הפרש הלחץ בקריאה על מד האח.
- הגדל את זווית ההתקפה במרווחים של 4°, וחזור על שלבים 2.1 - 2.2 עד לזווית התקפה של 28°. הקלט את כל התוצאות.
מהירויות לא ידועות בזרימת אוויר, למשל, מהירות האוויר של מטוס, נמדדות בדרך כלל באמצעות צינור פיטו-סטטי. הצינור פיטו-סטטי מבוסס על העיקרון של ברנולי, שבו העלייה במהירות של נוזל קשורה ישירות לשינויי לחץ.
הנוזל עצמו מפעיל לחץ על הסביבה, הנקרא לחץ סטטי. אם מהירות הנוזל היא אפס, הלחץ הסטטי הוא המקסימום. לחץ זה מוגדר כלחץ קיפאון, או לחץ מוחלט.
ככל שמהירות הנוזל עולה, היא מפעילה לחץ סטטי על הסביבה, כמו גם כוחות בשל המהירות והצפיפות של הנוזל. כוחות אלה נמדדים כלחץ הדינמי, הקשור ישירות לצפיפות הנוזלים ומהירות הנוזלים.
על פי עיקרון ברנולי, לחץ הקיפאון שווה לסכום הלחץ הסטטי והלחץ הדינמי. לכן, אם אנו מעוניינים לקבוע את מהירות הנוזל, אנו יכולים להחליף את המשוואה בלחץ דינמי ולפתור את המהירות כפי שמוצג. ההבדל בין לחץ הקיפאון ללחץ הסטטי נקרא דיפרנציאל הלחץ, דלתא P.
אז איך מודדים את הקיפאון והלחצים הסטטיים כדי לקבוע את דלתא P ולכן את המהירות? כאן נכנסת הצינור הסטטי.
צינור פיתות-סטטי יש שני סטים של פתחים. פתח אחד מכוון ישירות לזרימת האוויר, בעוד קבוצה שנייה של פתחים מאונכת לזרימת האוויר. הפתח הפונה לזרימה חש בלחץ הקיפאון, והפתחים בניצב לזרימה חשים בלחץ הסטטי. דיפרנציאל הלחץ, דלתא P, נמדד לאחר מכן באמצעות מתמר לחץ או מנור נוזלים.
מד נוזלים הוא צינור בצורת האות U המכיל נוזל. בלחץ הסביבה, כאשר דלתא P שווה אפס, הנוזל במנומטר הוא רמה בגובה התחלתי. כאשר המנומטר חווה דיפרנציאל לחץ, גובה נוזל המנומטר משתנה, ואנחנו יכולים לקרוא את השינוי בגובה כמו דלתא h.
לאחר מכן אנו יכולים לחשב את דיפרנציאל הלחץ, דלתא P, השווה לצפיפות הנוזל במנומטר, כפול תאוצת הכבידה, כפול דלתא h. לאחר מכן, על ידי החלפת הפרש הלחץ המחושב במשוואה הקודמת שלנו, אנו יכולים לחשב את מהירות הנוזל.
בניסוי זה, תוכלו למדוד מהירויות רוח שונות במנהרת רוח באמצעות צינור פיטו-סטטי ומנומטר נוזלים. לאחר מכן תוכל לחשב את השגיאה אחוז במדידות מהירות האוויר שנאספו באמצעות צינור pitot-סטטי לא מיושר.
לניסוי זה, תזדקק לגישה למנהרת רוח אווירודינמית עם קטע בדיקה של 1 רגל על 1 רגל ומהירות אוויר הפעלה מקסימלית של 140 קמ"ש. תזדקקו גם לצינור פיתות-סטטי ומנומטר מלא בשמן צבעוני, אך מסומן כטקסי סיום של אינץ'.
התחל על ידי חיבור שני הפניות של צינור פיטו-סטטי המתאים לנמלי הצינור של המנומטר באמצעות צינורות רכים. עכשיו, לפתוח את סעיף הבדיקה ולהכניס את הצינור פיטו-סטטי לתוך אביזרי השחלה הקדמית. כוון את הצינור הפיתות-סטטי כך שראש החישה נמצא במרכז קטע הבדיקה, מצביע במעלה הזרם. השתמש במד נטייה כף יד כדי למדוד את זווית ההתקפה, ולהתאים את צינור הפיתות כדי להגיע לזווית של אפס. לאחר מכן סגור את החלק הקדמי והחלק העליון של מקטע הבדיקה.
עכשיו, הפעל את מנהרת הרוח, הגדר את המהירות ל 50 קמ"ש, ולבחון את הפרש הגובה על manometer. הקלט את הפרש הגובה. לאחר מכן, להגדיל את מהירות הרוח ל 60 קמ"ש ושוב להקליט את הפרש הגובה על manometer.
חזור על הליך זה, הגדלת מהירות הרוח, במרווחים של 10 קמ"ש, עד שמהירות הרוח מגיעה ל -130 קמ"ש. תעד את הפרש הגובה במנומטר עבור כל מהירות רוח. לאחר מכן, לעצור את מנהרת הרוח ולפתוח את קטע הבדיקה.
באמצעות מד הנטייה כף היד, להתאים את זווית ההתקפה לחיובי 4°. לאחר מכן, סגור את קטע הבדיקה והפעל את מנהרת הרוח במהירות של 100 קמ"ש. הקלט את הפרש הגובה של מד המנומטר במחברת שלך. חזור על הליך זה עבור זוויות התקפה של עד 28° באמצעות תוספת קבועה של 4°. הקלט את הפרש הגובה של המנומטר עבור כל זווית במהירות של 100 קמ"ש.
עכשיו, בואו נסתכל על איך לנתח את הנתונים. ראשית, זכור כי לחץ הקיפאון, או הלחץ עם מהירות זרימה אפס, שווה ללחץ הסטטי בתוספת הלחץ הדינמי. הלחץ הדינמי קשור ישירות לצפיפות הנוזלים ומהירות הזרימה. אנחנו יכולים לסדר מחדש את המשוואה כדי לבטא מהירות זרימה במונחים של דיפרנציאל הלחץ וצפיפות הנוזלים.
הפרש הלחץ נמדד באמצעות המנומטר, שבו הפרש הלחץ שווה לצפיפות הנוזל כפול g כפול הפרש הגובה במנומטר. לפיכך, מהירות הזרימה מנבאת את המשוואה המוצגת.
צפיפות האוויר, צפיפות המים ותאוצת הכבידה ידועים. באמצעות הפרש גובה manometer עבור כל מנהרת רוח מהירות אוויר בזווית אפס של התקפה, לחשב את מהירות האוויר נמדד על ידי צינור pitot-סטטי. כפי שניתן לראות, השגיאה באחוזים היא די קטנה, מראה כי הצינור פיטו-סטטי יכול לחזות את מהירות האוויר במדויק, עם שגיאה שהוצגה מהגדרות אוויר מנהרת רוח, קריאות מנורה, ושגיאות מכשיר אחרות.
עכשיו, לחשב את מהירות האוויר בזוויות שונות של התקפה כאשר מנהרת הרוח הופעלה ב 100 קמ"ש. כפי שניתן לראות, מהירויות האוויר המחושב הן די קרובות למה שצפוי.
ההפרש באחוזים מחושב על ידי השוואת מהירות האוויר המחושבת למהירות האוויר הנמדדת בזווית אפס של התקפה. כל ההבדלים הם מתחת ל-4% עבור הזוויות שנמדדו, מה שמראה שהצינור הפיתות-סטטי בדרך כלל אינו רגיש לאי-התאמה עם כיוון הזרימה.
לסיכום, למדנו כיצד צינורות פיטו-סטטיים משתמשים בעיקרון של ברנולי כדי לקבוע את מהירות הנוזל. לאחר מכן יצרנו מגוון של מהירויות אוויר במנהרת רוח והשתמשנו בצינור פיתות-סטטי כדי למדוד את מהירויות האוויר השונות. זה הדגים את הרגישות החזויה של הצינור הפיתות-סטטי.
Results
תוצאות מייצגות מוצגות בטבלה 1 ובטבלה 2. תוצאות הניסוי הן בהסכמה טובה עם מהירות הרוח בפועל. צינור פיטו-סטטי חזה במדויק את מהירות האוויר עם אחוז טעות מקסימלי של כ-4.2%. ניתן לייחס זאת לשגיאות בהגדרת מנהרת הרוח במהירות אווירית, שגיאות בקריאת המנומטר ושגיאות המכשיר של הצינור הסטטי Pitot.
טבלה 1. מהירות טיסה מחושבת וטעייה המבוססת על קריאת מנורה מבטאים במהירויות שונות של מנהרת הרוח.
| מנהרת רוח במהירות אווירית (mph) | קריאת מד המנומטר (במים) | מחושב במהירות אווירית (mph) | אחוז שגיאה (%) |
| 50 | 1.1 | 48.04 | -3.93 |
| 60 | 1.6 | 57.93 | -3.45 |
| 70 | 2.15 | 67.16 | -4.06 |
| 80 | 2.8 | 76.64 | -4.20 |
| 90 | 3.6 | 86.90 | -3.45 |
| 100 | 4.4 | 96.07 | -3.93 |
| 110 | 5.4 | 106.43 | -3.25 |
| 120 | 6.5 | 116.77 | -2.69 |
| 130 | 7.8 | 127.91 | -1.61 |
טבלה 2. מחושבת במהירות אווירית וטעייה בהתבסס על קריאת מנורומטר בזוויות שונות של צירוף.
| זווית התקפה של צינור פיטו-סטטי (°) | קריאות מד (במים) | מחושב במהירות אווירית (mph) | אחוז שגיאה (%) |
| 0 | 4.4 | 96.07 | 0.00 |
| 4 | 4.5 | 97.16 | 1.13 |
| 8 | 4.5 | 97.16 | 1.13 |
| 12 | 4.6 | 98.23 | 2.25 |
| 16 | 4.65 | 98.76 | 2.80 |
| 20 | 4.7 | 99.29 | 3.35 |
| 24 | 4.55 | 97.69 | 1.69 |
| 28 | 4.3 | 94.97 | -1.14 |
בטבלה 2, שגיאת האחוזים מושוות לעומת מארז זווית האפס בטבלה 1. התוצאות מצביעות על כך שהצינור הפיתות-סטטי אינו רגיש לאי התאמה עם כיווני זרימה. הפער הגבוה ביותר התרחש בזווית של התקפה של כ -20 מעלות. טעות של 3.35% הושגה ביחס לקריאת זווית האפס. ככל שזווית ההתקפה גדלה, הן הקיפאון והן מדידות הלחץ הסטטי ירדו. שתי קריאות הלחץ נוטות לפצות זו את זו כך שהצינור מניב קריאות מהירות מדויקות ל-3- 4% לזוויות התקפה של עד 30 מעלות. זהו היתרון העיקרי של עיצוב פראנדל על פני סוגים אחרים של צינורות פיתות.
Applications and Summary
מידע על מהירות האוויר הוא קריטי ליישומי תעופה, כגון עבור מטוסים ורחפנים. צינור פיטו-סטטי מחובר בדרך כלל למונה מכני כדי להראות את מידת האוויר בלוח הקדמי בתא הטייס. עבור מטוסים מסחריים, הוא מחובר גם למערכת בקרת הטיסה המשולבת.
שגיאות בקריאה של מערכת פיטו-סטטית יכולות להיות מסוכנות ביותר. בדרך כלל קיימות 1 או 2 מערכות פיטו-סטטיות יתירות עבור מטוסים מסחריים. כדי למנוע הצטברות קרח, צינור פיטו מחומם במהלך הטיסה. תקריות ותאונות רבות של חברות תעופה מסחריות אותרו לכשל במערכת הפיתות-סטטית. לדוגמה, בשנת 2008 דיווחה אייר קארייבס על שתי תקריות של תקלות הדובדבן של צינור פיטו בכבישי A330 שלה [3].
בתעשייה, ניתן למדוד את מידת האוויר בצינורות ובצינורות עם צינורות פיתות שבהם יהיה קשה להתקין מד ים או מדי זרימה אחרים. צינור פיטו ניתן להכניס בקלות דרך חור קטן בצינור.
בהדגמה זו נבחן השימוש בצינורות פיתות-סטטיים במנהרת רוח והמדידות שימשו לחיזוי במהירות האוויר במנהרת הרוח. התוצאות החזויות על ידי צינור פיטו-סטטי בקורלציה היטב עם הגדרות מנהרת הרוח. גם הרגישות של אי-התאמה אפשרית של הצינור הפיתות-סטטית נחקרה והגיע למסקנה כי הצינור הפילוט-סטטי אינו רגיש במיוחד לאי-התאמה עד וזווית התקפה של 28 מעלות.
References
- Pitot, Henri (1732). "Description d'une machine pour mesurer la vitesse des eaux courantes et le sillage des vaisseaux". Histoire de l'Académie royale des sciences avec les mémoires de mathématique et de physique tirés des registres de cette Académie: 363–376. Retrieved 2009-06-19.
- Darcy, Henry (1858). "Note relative à quelques modifications à introduire dans le tube de Pitot" (PDF). Annales des Ponts et Chaussées: 351–359. Retrieved 2009-07-31.
- Daly, Kieran (11 June 2009). "Air Caraibes Atlantique memo details pitot icing incidents". Flight International. Retrieved 19 February 2012.
