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Tubo Ptot-static: Un dispositivo para medir la velocidad del flujo de aire

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Las velocidades desconocidas en un flujo de aire, por ejemplo, la velocidad del aire de un avión, se miden típicamente utilizando un tubo pitot-estático. El tubo pitot-estático se basa en el principio de Bernoulli, donde el aumento de la velocidad de un fluido está directamente relacionado con las variaciones de presión.

El líquido en sí ejerce presión sobre el entorno, llamada presión estática. Si la velocidad del fluido es cero, la presión estática está en su máximo. Esta presión se define como la presión de estancamiento, o presión total.

A medida que aumenta la velocidad del fluido, ejerce presión estática sobre el entorno, así como fuerzas debido a la velocidad y densidad del fluido. Estas fuerzas se miden como la presión dinámica, que está directamente relacionada con la densidad del fluido y la velocidad del fluido.

Según el principio de Bernoulli, la presión de estancamiento es igual a la suma de la presión estática y la presión dinámica. Por lo tanto, si estamos interesados en determinar la velocidad del fluido, podemos sustituir la ecuación por la presión dinámica y resolver la velocidad como se muestra. La diferencia entre la presión de estancamiento y la presión estática se denomina diferencial de presión, delta P.

Entonces, ¿cómo medimos el estancamiento y las presiones estáticas para determinar el delta P y, por lo tanto, la velocidad? Aquí es donde entra en el tubo pitot-estático.

Un tubo pitot-estático tiene dos conjuntos de aberturas. Una abertura está orientada directamente al flujo de aire, mientras que un segundo conjunto de aberturas es perpendicular al flujo de aire. La abertura frente al flujo detecta la presión de estancamiento, y las aberturas perpendiculares al flujo detectan la presión estática. El diferencial de presión, delta P, se mide mediante un transductor de presión o un manómetro de fluidos.

Un manómetro fluido es un tubo en forma de U que contiene un líquido. A presión ambiente, donde delta P es igual a cero, el fluido en el manómetro está nivelado a una altura inicial. Cuando el manómetro experimenta un diferencial de presión, la altura del fluido del manómetro cambia, y podemos leer el cambio de altura como delta h.

A continuación, podemos calcular el diferencial de presión, delta P, que es igual a la densidad del líquido en el manómetro, veces aceleración gravitacional, veces delta h. Luego, sustituyendo el diferencial de presión calculado en nuestra ecuación anterior, podemos calcular la velocidad del fluido.

En este experimento, medirá diferentes velocidades de viento en un túnel de viento utilizando un tubo pitt-estático y un manómetro fluido. A continuación, calculará el error de porcentaje en las mediciones de velocidad del aire recopiladas utilizando un tubo ptot estático desalineado.

Para este experimento, necesitará acceso a un túnel de viento aerodinámico con una sección de prueba de 1 ft por 1 ft y una velocidad máxima de funcionamiento del aire de 140 mph. También necesitará un tubo pitot-static y un manómetro lleno de aceite de color, pero marcado como graduaciones de pulgada de agua.

Comience conectando los dos cables del tubo estático pitot a los puertos de tubo del manómetro utilizando tubos blandos. Ahora, abra la sección de prueba e inserte el tubo pitot-estático en los accesorios roscados frontales. Oriente el tubo pitot-estático de modo que el cabezal de detección esté en el centro de la sección de prueba, apuntando aguas arriba. Utilice un inclinómetro de mano para medir el ángulo de ataque y ajuste el tubo pitot para alcanzar un ángulo de cero. A continuación, cierre la parte delantera y superior de la sección de prueba.

Ahora, encienda el túnel de viento, establezca la velocidad en 50 mph y observe la diferencia de altura en el manómetro. Registre la diferencia de altura. A continuación, aumente la velocidad del viento a 60 mph y registre de nuevo la diferencia de altura en el manómetro.

Repita este procedimiento, aumentando la velocidad del viento, en incrementos de 10 mph, hasta que la velocidad del viento alcance 130 mph. Registre la diferencia de altura en el manómetro para cada velocidad del viento. A continuación, detenga el túnel de viento y abra la sección de prueba.

Usando el inclinómetro de mano, ajuste el ángulo de ataque a positivo 4o. A continuación, cierre la sección de prueba y ejecute el túnel de viento a 100 mph. Registre la diferencia de altura del manómetro en su portátil. Repita este procedimiento para ángulos de ataque de hasta 28o utilizando incrementos de 4o. Registre la diferencia de altura del manómetro para cada ángulo a 100 mph.

Ahora, echemos un vistazo a cómo analizar los datos. En primer lugar, recuerde que la presión de estancamiento, o la presión con velocidad de flujo cero, es igual a la presión estática más la presión dinámica. La presión dinámica está directamente relacionada con la densidad del fluido y la velocidad de flujo. Podemos reorganizar la ecuación para expresar la velocidad de flujo en términos del diferencial de presión y la densidad del fluido.

El diferencial de presión se mide utilizando el manómetro, donde el diferencial de presión es igual a la densidad del líquido por g por la diferencia de altura en el manómetro. Por lo tanto, la velocidad de flujo es predicha por la ecuación mostrada.

Se conocen la densidad del aire, la densidad del agua y la aceleración gravitacional. Usando la diferencia de altura del manómetro para cada velocidad de aire del túnel de viento en ángulo cero de ataque, calcule la velocidad del aire medida por el tubo ptot-estático. Como puede ver, el error de porcentaje es bastante pequeño, lo que muestra que el tubo pitot-estático puede predecir la velocidad del aire con precisión, con un error introducido por la configuración del aire del túnel de viento, lecturas del manómetro y otros errores del instrumento.

Ahora, calcule la velocidad del aire en varios ángulos de ataque cuando el túnel de viento fue operado a 100 mph. Como puede ver, las velocidades de aire calculadas están bastante cerca de lo que se espera.

La diferencia porcentual se calcula comparando la velocidad de aire calculada con la velocidad del aire medida en el ángulo cero de ataque. Todas las diferencias están por debajo del 4% para los ángulos medidos, lo que muestra que el tubo pitot-estático es generalmente insensible a la desalineación con la dirección del flujo.

En resumen, aprendimos cómo los tubos pitot-estáticos utilizan el principio de Bernoulli para determinar la velocidad de un fluido. Luego generamos un rango de velocidades de aire en un túnel de viento y usamos un tubo pitot-estático para medir las diferentes velocidades de aire. Esto demostró la sensibilidad predictiva del tubo pitot-estático.

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