皮托静态管:测量气流速度的设备

气流中的未知速度，例如飞机的空气速度，通常使用皮托静压管进行测量。皮托静压管基于伯努利原理，其中流体速度的增加与压力变化直接相关。

流体本身对周围环境施加压力，称为静压。如果流体的速度为零，则静压为最大值。该压力定义为停滞压力或总压力。

随着流体速度的增加，它会对周围环境施加静压以及由于流体的速度和密度而产生的力。这些力以动态压力来测量，它与流体密度和流体速度直接相关。

根据伯努利原理，停滞压力等于静压和动压之和。因此，如果我们对确定流体速度感兴趣，我们可以用方程代替动压并求解速度，如图所示。停滞压力和静压之间的差值称为压差，即δP。

那么我们如何测量停滞和静压以确定δP，从而确定速度呢？这就是皮托静态管的用武之地。

皮托静态管有两组开口。一个开口直接指向气流，而另一组开口垂直于气流。面向流动的开口感应停滞压力，垂直于流动的开口感应静压。然后使用压力传感器或流体压力计测量压差 delta P。

液体压力计是装有液体的 U 形管。在环境压力下，delta P 等于零，压力计中的流体在初始高度处保持水平。当压力计遇到压差时，压力计的流体高度会发生变化，我们可以将高度变化读取为 delta h。

然后我们可以计算出压差 delta P，它等于压力计中液体的密度乘以重力加速度，乘以 delta h。然后，通过将计算出的压差代入我们前面的方程中，我们可以计算出流体速度。

在本实验中，您将使用皮托静压管和流体压力计测量风洞中的不同风速。然后，您将计算使用未对准的皮托静压管收集的空气速度测量值的百分比误差。

对于此实验，您将需要进入一个空气动力学风洞，其测试部分为 1 英尺 x 1 英尺，最大运行空气速度为 140 英里/小时。您还需要一个皮托静压管和一个装满彩色油的压力计，但标记为水英寸刻度。

首先使用软管将皮托静态管接头的两根引线连接到压力计的管端口。现在，打开测试部分并将皮托静压管插入前螺纹接头。调整皮托静压管的方向，使传感头位于测试部分的中心，指向上游。使用手持式倾角计测量攻角，并调整皮托管以达到零角度。然后关闭测试部分的正面和顶部。

现在，打开风洞，将速度设置为 50 英里/小时，然后观察压力计上的高度差。记录身高差。接下来，将风速增加到 60 英里/小时，并再次在压力计上记录高度差。

重复此过程，以 10 mph 的增量增加风速，直到风速达到 130 mph。在压力计上记录每个风速的高度差。然后，停止风洞并打开测试部分。

使用手持式倾角计，将攻角调整为正 4？。然后，关闭测试部分并以 100 英里/小时的速度运行风洞。在笔记本中记录压力计高度差。对最大 28 的攻角重复此过程？使用 4？增量。记录 100 mph 时每个角度的压力计高度差。

现在，让我们看看如何分析数据。首先，回想一下，停滞压力或零流速的压力等于静压加上动态压力。动态压力与流体密度和流速直接相关。我们可以重新排列方程，以根据压差和流体密度来表示流速。

压差是使用压力计测量的，其中压差等于液体密度乘以 g 乘以压力计中的高度差。因此，流速由所示方程预测。

空气密度、水密度和重力加速度是已知的。使用零攻角时每个风洞空气速度的压力计高度差，计算皮托静态管测得的空气速度。如您所见，百分比误差非常小，表明皮托静压管可以准确预测空气速度，误差是由风洞空气设置、压力计读数和其他仪器误差引起的。

现在，计算当风洞以 100 英里/小时的速度运行时，各种迎角处的空气速度。如您所见，计算出的空气速度与预期非常接近。

通过将计算出的空气速度与在零攻角处测得的空气速度进行比较来计算百分比差异。对于测量的角度，所有差异均低于 4%，这表明皮托静压管通常对与流向的不对中不敏感。

总之，我们了解了皮托静压管如何使用伯努利原理来确定流体的速度。然后，我们在风洞中生成了一系列风速，并使用皮托静压管来测量不同的风速。这证明了皮托静态管的预测敏感性。