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Pitot-statische Röhre: Ein Gerät zur Messung der Luftdurchflussgeschwindigkeit

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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.

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