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皮托静态管:测量气流速度的设备

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气流中的未知速度(例如,飞机的空气速度)通常使用平静态管进行测量。平管基于伯努利的原理,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,称为静态压力。如果流体的速度为零,则静态压力达到最大值。此压力定义为停滞压力或总压力。

随着流体速度的增加,它施加静态压力周围的环境,以及由于流体的速度和密度的力。这些力被测量为动态压力,这与流体密度和流体速度直接相关。

根据伯努利的原则,停滞压力等于静态压力和动态压力的总和。因此,如果我们有兴趣确定流体速度,我们可以用方程代替动态压力,并求解速度,如图所示。停滞压力和静态压力之间的差值称为压差,增量 P。

那么,我们如何测量停滞和静态压力,以确定增量 P,进而确定速度?这是皮托静态管的用处。

平管有两套开口。一个开口直接定向到气流中,而第二组开口垂直于气流。面向流动的开口感应停滞压力,而垂直于流动开口的开口感应到静态压力。然后使用压力传感器或流体操纵计测量压差(增量 P)。

流体操纵计是含有液体的 U 形管。在环境压力(增量 P 等于零)下,压力计中的流体在初始高度处水平。当压力计遇到压差时,压力计流体高度会发生变化,我们可以将高度变化读取为增量 h。

然后,我们可以计算压力差,增量P,它等于压力计中液体的密度,乘数重力加速度,乘法三角洲h。然后,通过将计算的压力差值替换到我们前面的方程中,我们可以计算流体速度。

在本实验中,您将使用平底管和流体操纵计测量风洞中不同的风速。然后,您将计算使用未对齐的皮托静态管收集的风速测量误差百分比。

对于此实验,您将需要访问空气动力学风洞,测试部分为 1 英尺乘 1 英尺,最大工作空气速度为 140 mph。您还需要一个皮托静态管和一个装满彩色油的操纵仪,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条导线连接到压力计的管口。现在,打开测试部分,将皮托静态管插入前螺纹接头中。定位皮托静态管,使传感头位于测试部分的中心,指向上游。使用手持式倾斜计测量攻击角度,并调整皮托管以达到零角。然后关闭测试部分的前面和顶部。

现在,打开风洞,将速度设置为 50 mph,并观察压力计上的高度差。记录高度差。接下来,将风速提高到 60 mph,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。然后,停止风洞并打开测试部分。

使用手持式倾斜计,将攻击角度调整为正 4°。然后,关闭测试部分,以每小时100英里的速度运行风洞。在笔记本中记录压力计高度差。使用 4° 增量对高达 28° 的攻击角度重复此过程。以 100 mph 的速度记录每个角度的操纵仪高度差。

现在,让我们来看看如何分析数据。首先,记得停滞压力,或零流速压力,等于静态压力加上动态压力。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,以表达流体差分和流体密度的流速。

压差使用压力计进行测量,其中压差等于液体乘以的密度 g 乘以操纵仪中的高度差。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。利用气计高度差,以零攻击角计算每个风洞风速,计算由平底管测得的空气速度。正如您所看到的,百分比误差相当小,这表明皮托静态管可以准确预测空气速度,错误来自风洞空气设置、操纵仪读数和其他仪器误差。

现在,当风洞以每小时100英里的速度运行时,计算不同攻击角度的空气速度。正如您所看到的,计算出的空气速度非常接近预期值。

通过比较计算出的空气速度与以零攻击角度测量的空气速度来计算百分比差。测量的角度的所有差异都低于 4%,这表明皮托静态管通常对与流动方向的错位不敏感。

总之,我们了解了皮托静态管如何使用伯努利的原理来确定流体的速度。然后,我们在风洞中生成了一系列空气速度,并使用皮托静态管测量不同的空气速度。这证明了皮托-静态管的预测灵敏度。

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