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ピトースタティックチューブ:空気の流速を測定する装置

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気流中の未知の速度、例えば、航空機の対気速度は、通常、ピトースタチューブを使用して測定されます。ピトースタティックチューブはベルヌーイの原理に基づいており、流体の速度の増加は圧力変動に直接関連しています。

流体自体は、静的圧力と呼ばれる周囲に圧力をかけます。流体の速度がゼロの場合、静圧は最大値になります。この圧力は、停滞圧力、または総圧力として定義されます。

流体速度が速くなるにつれて、周囲の圧力や流体の速度と密度に起因する力に静的圧力がかかります。これらの力は、流体密度と流体速度に直接関連する動的圧力として測定されます。

ベルヌーイの原理によると、停滞圧力は静圧と動的圧力の合計に等しい。したがって、流体速度を決定することに興味がある場合は、動的圧力の方程式を置き換え、図に示すように速度を解くことができます。停滞圧力と静圧の差は、圧力差、デルタPと呼ばれる。

では、デルタPと速度を決定するために、停滞と静的圧力をどのように測定すればよいのか。これは、ピトー静的チューブが入ってくるところです。

ピトースタティックチューブには2組の開口部があります。1 つの開口部はエアフローに直接向き、2 番目の開口部は気流に垂直です。流れに面した開口部は停滞圧力を感知し、流れに垂直な開口部は静圧を感知する。圧力差、デルタPは、次に、圧力トランスデューサまたは流体マノメータのいずれかを使用して測定されます。

流体の間計は、液体を含むU字型チューブです。デルタPがゼロに等しい周囲圧力では、圧計内の流体は初期の高さで水平になります。圧力差を経験すると、圧力計の体液高が変化し、高さの変化をデルタhとして読み取ることができます。

次に、圧力差、デルタP、これは、マノメーター内の液体の密度、時間重力加速度、時間デルタhを計算することができます。次に、計算された圧力差を以前の方程式に置き換えることで、流体速度を計算できます。

この実験では、ピトースタティックチューブと流体のマノメーターを使用して、風洞内の異なる風速を測定します。次に、不整列ピトースタティックチューブを使用して収集された対気速度測定値の誤差率を計算します。

この実験では、1フィートx1フィートのテストセクションと140 mphの最大動作対気速度を持つ空力風洞へのアクセスが必要です。また、ピトー静的チューブと色付きの油で満たされたマノメーターが必要になりますが、水インチの卒業としてマークされています。

柔らかいチューブを使用して、マノメーターのチューブポートにフィットするピトースタティックチューブの2つのリードを接続して開始します。次に、テストセクションを開き、ピトースタティックチューブをフロントスレッド継手に挿入します。ピトースタティックチューブの向きを、センシングヘッドがテストセクションの中央に上流を指し示します。ハンドヘルド傾斜計を使用して攻撃角度を測定し、ピトー管を調整してゼロの角度に達します。次に、テスト セクションの前面と上部を閉じます。

次に、風洞をオンにし、速度を 50 mph に設定し、マノメーターの高さの差を観察します。高さの違いを記録します。次に、風速を 60 mph に上げ、再びマノメーターの高さの差を記録します。

この手順を繰り返し、風速を 10 mph 単位で増やし、風速が 130 mph に達するまで、各風速の高さの差を記録します。次に、風洞を停止し、テストセクションを開きます。

ハンドヘルド傾斜計を使用して、攻撃角度を正の4°に調整します。次に、テストセクションを閉じて、時速 100 マイルで風洞を実行します。4°刻みを使用して28°までの攻撃の角度のために、この手順を繰り返します。各角度のマノメーターの高さの差を 100 mph で記録します。

次に、データの分析方法を見てみましょう。まず、停滞圧力、または流速がゼロの圧力は、静圧と動的圧力に等しいことを思い出してください。動的圧力は、流体密度と流速に直接関係します。圧力差と流体密度の観点から、流速を表現するように方程式を再配置できます。

圧力差は、圧力差計を使用して測定され、圧力差は、圧力差計の高さの差が液体の倍gの密度に等しい。したがって、流速は示す方程式によって予測される。

空気密度、水密度、重力加速度が知られています。攻撃角度ゼロで風洞の風速ごとにマノメーターの高さ差を使用して、ピトースタティックチューブで測定した対気速度を計算します。ご覧のとおり、パーセント誤差は非常に小さく、ピトースタティックチューブが風洞の空気設定、マノメーターの読み取り値、およびその他の計測器の誤差から発生した誤差で、空気速度を正確に予測できることを示しています。

さて、風洞が時速100マイルで作動したときの様々な攻撃角度での対気速度を計算します。ご覧のとおり、計算された対気速度は予想どおりに非常に近いです。

パーセント差は、計算された対気速度と攻撃角度ゼロで測定された対気速度を比較することによって計算されます。測定された角度では、すべての差異が4%未満であり、ピトースタチューブは一般的に流れ方向とのずれに対して無感覚であることを示しています。

要約すると、ピトー静的チューブがベルヌーイの原理を使用して流体の速度を決定する方法を学びました。その後、風洞でさまざまな風速を生成し、ピトースタティックチューブを使用して異なる対気速度を測定しました。これは、ピトー静的管の予測感度を実証した。

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