Overview
Quelle: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
Ein Pitot-statisches Rohr ist weit verbreitet für die Messung unbekannter Geschwindigkeiten im Luftstrom verwendet, zum Beispiel wird es verwendet, um Flugzeugfluggeschwindigkeit zu messen. Nach Bernoull is Prinzip steht die Fluggeschwindigkeit in direktem Zusammenhang mit Druckschwankungen. Daher spürt das Pitot-statische Rohr den Stagnationsdruck und den statischen Druck. Es ist mit einem Manometer oder Druckwandler verbunden, um Druckmessungen zu erhalten, die eine Luftgeschwindigkeitsvorhersage ermöglichen.
In diesem Experiment wird ein Windkanal verwendet, um bestimmte Luftgeschwindigkeiten zu erzeugen, die mit Pitot-statischen Rohrvorhersagen verglichen werden. Untersucht wird auch die Empfindlichkeit des Pitot-statischen Rohres durch Fehlausrichtung in Bezug auf die Strömungsrichtung. Dieses Experiment wird zeigen, wie die Luftstromgeschwindigkeit mit einem Pitot-statischen Rohr gemessen wird. Das Ziel wird sein, die Luftstromgeschwindigkeit auf der Grundlage der erhaltenen Druckmessungen vorherzusagen.
Principles
Bernoullis Prinzip besagt, dass eine Erhöhung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit gleichzeitig mit einer Druckabnahme auftritt und umgekehrt. Insbesondere, wenn die Geschwindigkeit einer Flüssigkeit auf Null sinkt, dann wird der Druck der Flüssigkeit auf ihr Maximum erhöhen. Dies wird als Stagnationsdruck oder Gesamtdruck bezeichnet. Eine besondere Form der Bernoulli-Gleichung ist:
Stagnationsdruck = statischer Druck + dynamischer Druck
wobei der Stagnationsdruck, Po, der Druck ist, wenn die Durchflussgeschwindigkeit auf Null reduziert wird, istentropisch, der statische Druck, Ps, der Druck, den die umgebende Flüssigkeit auf einen bestimmten Punkt ausübt, und der dynamische Druck, Pd, auch Ram-Druck genannt, steht in direktem Zusammenhang mit der Flüssigkeitsdichte, der- und der Fließgeschwindigkeit, V, für einen bestimmten Punkt. Diese Gleichung gilt nur für den inkompressbaren Durchfluss, z. B. Flüssigkeitsstrom und Luftstrom mit niedriger Geschwindigkeit (in der Regel weniger als 100 m/s).
Aus der obigen Gleichung können wir die Strömungsgeschwindigkeit, V, in Bezug auf Druckdifferenz und Flüssigkeitsdichte wie:
Im18. Jahrhundert erfand der französische Ingenieur Henri Pitot die Pitot-Röhre [1], und Mitte des19. Jahrhunderts modifizierte der französische Wissenschaftler Henry Darcy sie in ihre moderne Form [2]. Anfang des20. Jahrhunderts kombinierte der deutsche Aerodynamiker Ludwig Prandtl die statische Druckmessung und das Pitot-Rohr in das heute weit verbreitete Pitot-Statikrohr.
Ein Schaltplan einer Pitot-statischen Röhre ist in Abbildung 1 dargestellt. Es gibt 2 Öffnungen in den Rohren: eine Öffnung stellt sich dem Fluss direkt, um den Stagnationsdruck zu spüren, und die andere Öffnung ist senkrecht zum Durchfluss, um den statischen Druck zu messen.
Abbildung 1. Schemat eines Pitot-statischen Rohres.
Das Druckdifferenzial ist erforderlich, um die Durchflussgeschwindigkeit zu bestimmen, die typischerweise durch Druckaufnehmer gemessen wird. In diesem Experiment wird ein flüssiges Säulenmanometer verwendet, um eine gute visuelle Darstellung zu liefern, um die Druckänderung zu messen. Die Druckdifferenz wird wie folgt bestimmt:
wobei der Höhenunterschied des Manometersh, L die Dichte der Flüssigkeit im Manometer und g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft ist. Durch Die Kombination der Gleichungen 2 und 3 wird die Strömungsgeschwindigkeit vorhergesagt durch:
Procedure
1. Aufnahme manometer Druckmessungen mit Änderungen der Fluggeschwindigkeit.
- Schließen Sie die beiden Leitungen des Pitot-statischen Rohres an die beiden Anschlüsse des Manometers an. Das Manometer sollte mit farbigem Öl gefüllt und als Wasserzoll-Graduierungen gekennzeichnet werden.
- Setzen Sie das Pitot-statische Rohr in die Gewindeform ein, so dass sich der Sensorkopf in der Mitte des Testabschnitts des Windkanals befindet und die Röhre flussaufwärts zeigt. Der Testabschnitt sollte 1 ft x 1 ft betragen, und der Windkanal sollte in der Lage sein, eine Fluggeschwindigkeit von 140 mph zu halten.
- Verwenden Sie ein Neigungsmesser, um das Pitot-statische Rohr auf einen Null-Grad-Angriffswinkel einzustellen.
- Führen Sie den Windkanal mit 50 mph und notieren Sie dann die Druckdifferenz am Manometer.
- Erhöhen Sie die Fluggeschwindigkeit im Windkanal um 10 mph und erfassen Sie die Druckdifferenz am Manometer.
- Wiederholen Sie 1.5, bis die Fluggeschwindigkeit 130 mph erreicht.
2. Untersuchen Sie die Genauigkeit von Pitot-statischen Rohren mit einem positiven Angriffswinkel.
- Verwenden Sie das Neigungsmesser, um den Angriffswinkel auf positiv 4° einzustellen.
- Führen Sie den Windkanal mit 100 mph und notieren Sie die Druckdifferenz auf dem Manometer.
- Erhöhen Sie den Angriffswinkel um 4°-Schritte, und wiederholen Sie die Schritte 2.1 - 2.2 bis zu einem Angriffswinkel von 28°. Zeichnen Sie alle Ergebnisse auf.
Unbekannte Geschwindigkeiten in einem Luftstrom, z. B. die Luftgeschwindigkeit eines Flugzeugs, werden in der Regel mit einem pitotstatischen Rohr gemessen. Die pitotstatische Röhre basiert auf dem Bernoulli-Prinzip, bei dem die Geschwindigkeitserhöhung einer Flüssigkeit direkt mit Druckschwankungen zusammenhängt.
Die Flüssigkeit selbst übt Druck auf die Umgebung aus, den so genannten statischen Druck. Wenn die Geschwindigkeit der Flüssigkeit Null ist, ist der statische Druck am Maximum. Dieser Druck wird als Stagnationsdruck oder Gesamtdruck definiert.
Mit zunehmender Flüssigkeitsgeschwindigkeit übt er statischen Druck auf die Umgebung sowie Kräfte aufgrund der Geschwindigkeit und Dichte der Flüssigkeit aus. Diese Kräfte werden als dynamischer Druck gemessen, der direkt mit der Flüssigkeitsdichte und der Flüssigkeitsgeschwindigkeit zusammenhängt.
Nach Bernoullis Prinzip entspricht der Stagnationsdruck der Summe des statischen Drucks und des dynamischen Drucks. Wenn wir also daran interessiert sind, die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen, können wir die Gleichung durch dynamischen Druck ersetzen und die gezeigte Geschwindigkeit lösen. Die Differenz zwischen dem Stagnationsdruck und dem statischen Druck wird als Druckdifferenzial, Delta P, bezeichnet.
Wie messen wir also die Stagnation und den statischen Druck, um Delta P und damit die Geschwindigkeit zu bestimmen? Hier kommt das pitotstatische Rohr ins Spiel.
Ein pitotstatisches Rohr hat zwei Sätze von Öffnungen. Eine Öffnung ist direkt in den Luftstrom ausgerichtet, während ein zweiter Satz von Öffnungen senkrecht zum Luftstrom ist. Die Öffnung gegenüber dem Fluss erkennt den Stagnationsdruck, und die Öffnungen senkrecht zum Durchfluss spüren den statischen Druck. Das Druckdifferenzial Delta P wird dann entweder mit einem Druckaufnehmer oder einem Fluidmanometer gemessen.
Ein Fluidmanometer ist ein U-förmiges Rohr, das eine Flüssigkeit enthält. Bei Umgebungsdruck, bei dem Delta P gleich Null ist, ist die Flüssigkeit im Manometer in einer Anfangshöhe eben. Wenn das Manometer ein Druckdifferenzial erlebt, ändert sich die Höhe der Manometerflüssigkeit, und wir können die Höhenänderung als Delta h ablesen.
Wir können dann das Druckdifferenzial Delta P berechnen, das der Dichte der Flüssigkeit im Manometer entspricht, mal Gravitationsbeschleunigung, Mal Delta h. Dann können wir, indem wir das berechnete Druckdifferenzial in unsere frühere Gleichung ersetzen, die Fluidgeschwindigkeit berechnen.
In diesem Experiment messen Sie verschiedene Windgeschwindigkeiten in einem Windkanal mit einem pitotstatischen Rohr und einem Fluidmanometer. Sie berechnen dann den Prozentualen Fehler bei den Luftgeschwindigkeitsmessungen, die mit einem falsch ausgerichteten pitotstatischen Rohr erfasst werden.
Für dieses Experiment benötigen Sie Zugang zu einem aerodynamischen Windkanal mit einem Testabschnitt von 1 ft mal 1 ft und einer maximalen Betriebsluftgeschwindigkeit von 140 mph. Sie benötigen auch ein pitot-statisches Rohr und ein Manometer, das mit farbigem Öl gefüllt ist, aber als Wasser-Zoll-Graduierungen markiert ist.
Beginnen Sie mit dem Anschluss der beiden Leitungen des pitotstatischen Rohrs, das mit weichen Schläuchen an die Rohranschlüsse des Manometers passt. Öffnen Sie nun den Testabschnitt und legen Sie das pitotstatische Rohr in die vorderen Gewindeformstücke ein. Richten Sie das pitotstatische Rohr so aus, dass sich der Sensorkopf in der Mitte des Testabschnitts befindet und stromaufwärts zeigt. Verwenden Sie ein Hand-Inclinometer, um den Angriffswinkel zu messen, und passen Sie das Pitot-Rohr so an, dass ein Winkel von Null erreicht wird. Schließen Sie dann die Vorder- und Oberseite des Testabschnitts.
Schalten Sie nun den Windkanal ein, stellen Sie die Geschwindigkeit auf 50 mph ein und beobachten Sie den Höhenunterschied auf dem Manometer. Zeichnen Sie den Höhenunterschied auf. Als nächstes erhöhen Sie die Windgeschwindigkeit auf 60 mph und zeichnen Sie erneut den Höhenunterschied auf dem Manometer auf.
Wiederholen Sie diesen Vorgang, erhöhen Sie die Windgeschwindigkeit, in Schritten von 10 mph, bis die Windgeschwindigkeit erreicht 130 mph. Zeichnen Sie den Höhenunterschied auf dem Manometer für jede Windgeschwindigkeit. Stoppen Sie dann den Windkanal und öffnen Sie den Testabschnitt.
Passen Sie mit dem Hand-Inclinometer den Angriffswinkel auf positiv 4° an. Schließen Sie dann den Testabschnitt und führen Sie den Windkanal mit 100 mph. Zeichnen Sie den Manometerhöhenunterschied in Ihrem Notebook auf. Wiederholen Sie diesen Vorgang für Angriffswinkel bis zu 28° mit 4°-Schritten. Zeichnen Sie den Manometerhöhenunterschied für jeden Winkel bei 100 mph auf.
Sehen wir uns nun an, wie die Daten analysiert werden. Denken Sie zunächst daran, dass der Stagnationsdruck oder der Druck bei Nulldurchflussgeschwindigkeit dem statischen Druck und dem dynamischen Druck entspricht. Der dynamische Druck steht in direktem Zusammenhang mit der Flüssigkeitsdichte und der Durchflussgeschwindigkeit. Wir können die Gleichung neu anordnen, um die Strömungsgeschwindigkeit in Bezug auf das Druckdifferenzial und die Flüssigkeitsdichte auszudrücken.
Das Druckdifferenzial wird mit dem Manometer gemessen, wobei das Druckdifferenzial der Dichte der Flüssigkeitszeiten g mal dem Höhenunterschied im Manometer entspricht. Daher wird die Strömungsgeschwindigkeit durch die dargestellte Gleichung vorhergesagt.
Die Luftdichte, die Wasserdichte und die Gravitationsbeschleunigung sind bekannt. Berechnen Sie die Luftgeschwindigkeit, die mit dem pitotstatischen Rohr gemessen wird, mit dem Höhenunterschied des Manometers für jede Windkanal-Luftgeschwindigkeit bei Nullwinkel. Wie Sie sehen können, ist der Prozentfehler recht klein, was zeigt, dass die pitot-statische Röhre die Luftgeschwindigkeit genau vorhersagen kann, mit Fehlern, die durch Windkanal-Lufteinstellungen, Manometer-Messungen und andere Gerätefehler auftreten.
Berechnen Sie nun die Luftgeschwindigkeit in verschiedenen Angriffswinkeln, wenn der Windkanal mit 100 mph betrieben wurde. Wie Sie sehen können, liegen die berechneten Luftgeschwindigkeiten ziemlich nahe an dem, was erwartet wird.
Die prozentuale Differenz wird berechnet, indem die berechnete Luftgeschwindigkeit mit der Luftgeschwindigkeit verglichen wird, die bei Nullwinkel gemessen wird. Alle Unterschiede liegen unter 4 % für die gemessenen Winkel, was zeigt, dass das pitotstatische Rohr im Allgemeinen unempfindlich gegen Fehlausrichtung mit der Strömungsrichtung ist.
Zusammenfassend haben wir gelernt, wie pitotstatische Röhren Das Bernoulli-Prinzip verwenden, um die Geschwindigkeit einer Flüssigkeit zu bestimmen. Wir erzeugten dann eine Reihe von Luftgeschwindigkeiten in einem Windkanal und verwendeten ein pitotstatisches Rohr, um die verschiedenen Luftgeschwindigkeiten zu messen. Dies zeigte die prädiktive Empfindlichkeit des pitot-statischen Rohres.
Results
Repräsentative Ergebnisse sind in Tabelle 1 und Tabelle 2dargestellt. Die Ergebnisse des Experiments sind mit der tatsächlichen Windgeschwindigkeit in gutem Verhältnis. Die Pitot-statische Röhre prognostizierte genau die Fluggeschwindigkeit mit einem maximalen Fehlerprozentsatz von etwa 4,2%. Dies ist auf Fehler bei der Einstellung der Windkanal-Fluggeschwindigkeit, Fehler beim Ablesen des Manometers und Instrumentenfehler des Pitot-statischen Rohres zurückzuführen.
Tabelle 1. Berechnete Fluggeschwindigkeit und Fehler basierend auf Manometer-Messwerten bei verschiedenen Windkanalgeschwindigkeiten.
| Windkanal-Fluggeschwindigkeit (mph) | Manometer-Messung (in Wasser) | Berechnete Fluggeschwindigkeit (mph) | Prozentfehler (%) |
| 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 |
Tabelle 2. Berechnete Fluggeschwindigkeit und Fehler basierend auf Manometer-Messung in verschiedenen Winkeln der Befestigung.
| Pitot-Statische Röhre Angriffswinkel (°) | Manometer-Messungen (in Wasser) | Berechnete Fluggeschwindigkeit (mph) | Prozentfehler (%) |
| 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 |
In Tabelle 2 wird der prozentuale Fehler mit dem Nullwinkelfall in Tabelle 1 verglichen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Pitot-statische Rohr unempfindlich gegen Fehlausrichtung mit Strömungsrichtungen ist. Die höchste Diskrepanz trat bei einem Angriffswinkel von etwa 20° auf. Bei der Nullwinkelmessung wurde ein Fehler von 3,35 % ermittelt. Als der Angriffswinkel zunahm, nahmen sowohl die Stagnation als auch die statischen Druckmessungen ab. Die beiden Druckwerte neigen dazu, sich gegenseitig zu kompensieren, so dass das Rohr Geschwindigkeitsmessungen liefert, die für Angriffswinkel bis zu 30° genau sind. Dies ist der Hauptvorteil des Prandtl-Designs gegenüber anderen Arten von Pitot-Rohren.
Applications and Summary
Fluggeschwindigkeitsinformationen sind für Luftfahrtanwendungen, z. B. für Flugzeuge und Drohnen, von entscheidender Bedeutung. Ein Pitot-statisches Rohr ist in der Regel mit einem mechanischen Messgerät verbunden, um die Fluggeschwindigkeit an der Frontplatte im Cockpit anzuzeigen. Für Verkehrsflugzeuge ist es auch an das Bordflugleitsystem angeschlossen.
Fehler bei pitotstatischen Systemwerten können äußerst gefährlich sein. Es gibt in der Regel 1 oder 2 redundante Pitot-statische Systeme für Verkehrsflugzeuge. Um Eisbildung zu verhindern, wird die Pitot-Röhre während des Fluges erwärmt. Viele Zwischenfälle und Unfälle von kommerziellen Fluggesellschaften wurden auf einen Ausfall des Pitot-statik-Systems zurückgeführt. So meldete Air Caraibes 2008 zwei Vorfälle von Pitot-Rohrvereisungsstörungen an seinen A330 [3].
In der Industrie kann die Fluggeschwindigkeit in Kanal und Schläuche närzuzung mit Pitot-Rohren gemessen werden, bei denen ein Anemometer oder andere Durchflussmesser schwer zu installieren wären. Das Pitot-Rohr kann einfach durch ein kleines Loch im Kanal eingesetzt werden.
In dieser Demonstration wurde der Einsatz von Pitot-statischen Rohren in einem Windkanal untersucht und die Messungen wurden verwendet, um die Fluggeschwindigkeit im Windkanal vorherzusagen. Die von der Pitot-statischen Röhre vorhergesagten Ergebnisse korrelierten gut mit den Windkanaleinstellungen. Die Empfindlichkeit einer möglichen Fehlausrichtung des Pitot-statischen Rohres wurde ebenfalls untersucht und es wurde der Schluss gezogen, dass das Pitot-statische Rohr nicht besonders empfindlich auf Fehlausrichtung bis zu und Angriffswinkel von 28° reagiert.
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.
