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Tube Pitot-statique : un dispositif pour mesurer la vitesse de flux d'air

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Les vitesses inconnues dans un flux d'air, par exemple, la vitesse de l'air d'un aéronef, sont généralement mesurées à l'aide d'un tube pitot-statique. Le tube pitot-statique est basé sur le principe de Bernoulli, où l'augmentation de la vitesse d'un fluide est directement liée aux variations de pression.

Le fluide lui-même exerce une pression sur l'environnement, appelée pression statique. Si la vitesse du fluide est nulle, la pression statique est à son maximum. Cette pression est définie comme la pression de stagnation, ou pression totale.

Comme la vitesse du fluide augmente, il exerce une pression statique sur l'environnement ainsi que des forces dues à la vitesse et la densité du fluide. Ces forces sont mesurées comme la pression dynamique, qui est directement liée à la densité du fluide et la vitesse du fluide.

Selon le principe de Bernoulli, la pression de stagnation est égale à la somme de la pression statique et de la pression dynamique. Ainsi, si nous sommes intéressés à déterminer la vitesse du fluide, nous pouvons substituer l'équation à la pression dynamique et résoudre pour la vitesse comme indiqué. La différence entre la pression de stagnation et la pression statique est appelée le différentiel de pression, delta P.

Alors, comment mesurer la stagnation et les pressions statiques afin de déterminer le delta P et donc la vitesse? C'est là que le tube pitot-statique entre en vigueur.

Un tube pitot-statique a deux ensembles d'ouvertures. Une ouverture est orientée directement dans le flux d'air, tandis qu'un deuxième ensemble d'ouvertures est perpendiculaire au flux d'air. L'ouverture face au flux détecte la pression de stagnation, et les ouvertures perpendiculaires au flux détectent la pression statique. Le différentiel de pression, delta P, est ensuite mesuré à l'aide d'un transducteur de pression ou d'un manomètre fluide.

Un manomètre liquide est un tube en forme de U contenant un liquide. À la pression ambiante, où le delta P est nul, le liquide du manomètre est de niveau à une hauteur initiale. Lorsque le manomètre éprouve un différentiel de pression, la hauteur du fluide du manomètre change, et nous pouvons lire le changement de hauteur comme delta h.

Nous pouvons ensuite calculer le différentiel de pression, delta P, qui est égal à la densité du liquide dans le manomètre, fois l'accélération gravitationnelle, fois delta h. Ensuite, en remplaçant le différentiel de pression calculé dans notre équation antérieure, nous pouvons calculer la vitesse de fluide.

Dans cette expérience, vous mesurez différentes vitesses de vent dans une soufflerie à l'aide d'un tube pitot-statique et d'un manomètre fluide. Vous calculerez ensuite l'erreur en pourcentage dans les mesures de vitesse de l'air recueillies à l'aide d'un tube pitot-statique mal aligné.

Pour cette expérience, vous aurez besoin d'accéder à une soufflerie aérodynamique avec une section d'essai de 1 pi sur 1 pi et une vitesse maximale de fonctionnement de l'air de 140 mi/h. Vous aurez également besoin d'un tube pitot-statique et un manomètre rempli d'huile colorée, mais marqué comme graduations de pouce d'eau.

Commencez par relier les deux fils du tube pitot-statique raccord aux ports tubulaires du manomètre à l'aide de tubes souples. Maintenant, ouvrez la section d'essai et insérez le tube pitot-statique dans les raccords filetés avant. Orientez le tube pitot-statique de sorte que la tête de détection soit au centre de la section d'essai, pointant en amont. Utilisez un inclinomètre portatif pour mesurer l'angle d'attaque et ajustez le tube pitot pour atteindre un angle de zéro. Fermez ensuite l'avant et le haut de la section de test.

Maintenant, allumez la soufflerie, fixez la vitesse à 50 mi/h, et observez la différence de hauteur sur le manomètre. Enregistrez la différence de hauteur. Ensuite, augmenter la vitesse du vent à 60 mph et à nouveau enregistrer la différence de hauteur sur le manomètre.

Répétez cette procédure, en augmentant la vitesse du vent, par incréments de 10 mi/h, jusqu'à ce que la vitesse du vent atteigne 130 mi/h. Enregistrez la différence de hauteur sur le manomètre pour chaque vitesse du vent. Ensuite, arrêtez la soufflerie et ouvrez la section d'essai.

À l'aide de l'inclinomètre portatif, ajustez l'angle d'attaque à un niveau positif de 4 degrés. Ensuite, fermez la section d'essai et exécutez la soufflerie à 100 mi/h. Enregistrez la différence de hauteur du manomètre dans votre ordinateur portable. Répétez cette procédure pour les angles d'attaque jusqu'à 28 degrés à l'aide d'incréments de 4 degrés. Enregistrez la différence de hauteur du manomètre pour chaque angle à 100 mi/h.

Maintenant, nous allons jeter un oeil à la façon d'analyser les données. Tout d'abord, rappelez-vous que la pression de stagnation, ou la pression avec une vitesse de débit zéro, est égale à la pression statique plus la pression dynamique. La pression dynamique est directement liée à la densité et à la vitesse d'écoulement des fluides. Nous pouvons réorganiser l'équation pour exprimer la vitesse de débit en termes de différentiel de pression et de densité de fluide.

Le différentiel de pression est mesuré à l'aide du manomètre, où le différentiel de pression est égal à la densité des temps liquides fois la différence de hauteur dans le manomètre. Ainsi, la vitesse de débit est prédite par l'équation montrée.

La densité de l'air, la densité de l'eau et l'accélération gravitationnelle sont connues. À l'aide de la différence de hauteur du manomètre pour chaque vitesse d'air en soufflerie à angle zéro d'attaque, calculez la vitesse de l'air mesurée par le tube pitot-statique. Comme vous pouvez le voir, l'erreur en pourcentage est assez faible, montrant que le tube pitot-statique peut prédire la vitesse de l'air avec précision, avec l'erreur introduite à partir des paramètres de soufflerie de l'air, des lectures de manomètre, et d'autres erreurs d'instrument.

Maintenant, calculez la vitesse de l'air à différents angles d'attaque lorsque la soufflerie a été exploitée à 100 mi/h. Comme vous pouvez le voir, les vitesses d'air calculées sont assez proches de ce qui est prévu.

La différence en pourcentage est calculée en comparant la vitesse d'air calculée à la vitesse de l'air mesurée à angle zéro d'attaque. Toutes les différences sont inférieures à 4% pour les angles mesurés, ce qui montre que le tube pitot-statique est généralement insensible au mauvais alignement avec la direction du débit.

En résumé, nous avons appris comment les tubes pitot-statiques utilisent le principe de Bernoulli pour déterminer la vitesse d'un fluide. Nous avons ensuite généré une gamme de vitesses d'air dans une soufflerie et utilisé un tube pitot-statique pour mesurer les différentes vitesses d'air. Ceci a démontré la sensibilité prédictive du tube pitot-statique.

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