Tubo Pitot-estático: um dispositivo para medir a velocidade do fluxo de ar

Velocidades desconhecidas em um fluxo de ar, por exemplo, a velocidade do ar de uma aeronave, são normalmente medidas usando um tubo pitot-estático. O tubo pitot-estático é baseado no princípio de Bernoulli, onde o aumento da velocidade de um fluido está diretamente relacionado às variações de pressão.

O próprio fluido exerce pressão sobre o ambiente, chamada pressão estática. Se a velocidade do fluido for zero, a pressão estática está no máximo. Essa pressão é definida como a pressão de estagnação ou pressão total.

À medida que a velocidade do fluido aumenta, ela exerce pressão estática sobre o ambiente, bem como forças devido à velocidade e densidade do fluido. Essas forças são medidas como a pressão dinâmica, que está diretamente relacionada à densidade e velocidade do fluido.

De acordo com o princípio de Bernoulli, a pressão de estagnação é igual à soma da pressão estática e da pressão dinâmica. Assim, se estivermos interessados em determinar a velocidade do fluido, podemos substituir a equação pela pressão dinâmica e resolver a velocidade mostrada. A diferença entre a pressão de estagnação e a pressão estática é chamada de diferencial de pressão, delta P.

Então, como medimos a estagnação e as pressões estáticas para determinar o delta P e, portanto, a velocidade? É aqui que entra o tubo pitot-estático.

Um tubo pitot-estático tem dois conjuntos de aberturas. Uma abertura é orientada diretamente para o fluxo de ar, enquanto um segundo conjunto de aberturas é perpendicular ao fluxo de ar. A abertura voltada para o fluxo detecta a pressão de estagnação e as aberturas perpendiculares ao fluxo detectam a pressão estática. O diferencial de pressão, delta P, é então medido usando um transdutor de pressão ou um manômetro de fluido.

Um manômetro de fluido é um tubo em forma de U contendo um líquido. À pressão ambiente, onde delta P é igual a zero, o fluido no manômetro está nivelado a uma altura inicial. Quando o manômetro experimenta um diferencial de pressão, a altura do fluido do manômetro muda e podemos ler a mudança na altura como delta h.

Podemos então calcular o diferencial de pressão, delta P, que é igual à densidade do líquido no manômetro, vezes aceleração gravitacional, vezes delta h. Então, substituindo o diferencial de pressão calculado em nossa equação anterior, podemos calcular a velocidade do fluido.

Neste experimento, você medirá diferentes velocidades do vento em um túnel de vento usando um tubo estático de pitot e um manômetro de fluido. Em seguida, você calculará o erro percentual nas medições de velocidade do ar coletadas usando um tubo pitot-estático desalinhado.

Para este experimento, você precisará de acesso a um túnel de vento aerodinâmico com uma seção de teste de 1 pé por 1 pé e uma velocidade máxima do ar operacional de 140 mph. Você também precisará de um tubo pitot-estático e um manômetro cheio de óleo colorido, mas marcado como graduações de polegada de água.

Comece conectando os dois fios do encaixe do tubo estático pitot às portas do tubo do manômetro usando tubos macios. Agora, abra a seção de teste e insira o tubo pitot-estático nas conexões roscadas frontais. Oriente o tubo pitot-estático de modo que o cabeçote de detecção fique no centro da seção de teste, apontando para cima. Use um inclinômetro portátil para medir o ângulo de ataque e ajuste o tubo de pitot para atingir um ângulo de zero. Em seguida, feche a parte frontal e superior da seção de teste.

Agora, ligue o túnel de vento, defina a velocidade para 50 mph e observe a diferença de altura no manômetro. Registre a diferença de altura. Em seguida, aumente a velocidade do vento para 60 mph e registre novamente a diferença de altura no manômetro.

Repita este procedimento, aumentando a velocidade do vento, em incrementos de 10 mph, até que a velocidade do vento atinja 130 mph. Registre a diferença de altura no manômetro para cada velocidade do vento. Em seguida, pare o túnel de vento e abra a seção de teste.

Usando o inclinômetro portátil, ajuste o ângulo de ataque para 4 positivos. Em seguida, feche a seção de teste e execute o túnel de vento a 100 mph. Registre a diferença de altura do manômetro em seu notebook. Repita este procedimento para ângulos de ataque de até 28? usando 4? Incrementos. Registre a diferença de altura do manômetro para cada ângulo a 100 mph.

Agora, vamos dar uma olhada em como analisar os dados. Primeiro, lembre-se de que a pressão de estagnação, ou a pressão com velocidade de fluxo zero, é igual à pressão estática mais a pressão dinâmica. A pressão dinâmica está diretamente relacionada à densidade do fluido e à velocidade do fluxo. Podemos reorganizar a equação para expressar a velocidade do fluxo em termos do diferencial de pressão e da densidade do fluido.

O diferencial de pressão é medido usando o manômetro, onde o diferencial de pressão é igual à densidade do líquido vezes g vezes a diferença de altura no manômetro. Assim, a velocidade do fluxo é prevista pela equação mostrada.

A densidade do ar, a densidade da água e a aceleração gravitacional são conhecidas. Usando a diferença de altura do manômetro para cada velocidade do ar do túnel de vento em ângulo de ataque zero, calcule a velocidade do ar medida pelo tubo pitot-estático. Como você pode ver, o erro percentual é bem pequeno, mostrando que o tubo pitot-estático pode prever a velocidade do ar com precisão, com erros introduzidos nas configurações de ar do túnel de vento, leituras do manômetro e outros erros do instrumento.

Agora, calcule a velocidade do ar em vários ângulos de ataque quando o túnel de vento foi operado a 100 mph. Como você pode ver, as velocidades do ar calculadas estão bem próximas do esperado.

A diferença percentual é calculada comparando a velocidade do ar calculada com a velocidade do ar medida no ângulo de ataque zero. Todas as diferenças estão abaixo de 4% para os ângulos medidos, mostrando que o tubo pitot-estático é geralmente insensível ao desalinhamento com a direção do fluxo.

Em resumo, aprendemos como os tubos pitot-estáticos usam o princípio de Bernoulli para determinar a velocidade de um fluido. Em seguida, geramos uma faixa de velocidades do ar em um túnel de vento e usamos um tubo estático de pitot para medir as diferentes velocidades do ar. Isso demonstrou a sensibilidade preditiva do tubo pitot-estático.