皮托静态管:测量气流速度的设备

伯努利的原理指出，流体速度的增加与压力的降低同时发生，反之亦然。具体来说，如果流体的速度降至零，则流体的压力将增加到最大值。这称为停滞压力或总压力。伯努利方程的一种特殊形式如下:

停滞压力 = 静态压力 = 动态压力

其中停滞压力，P_o，是流动速度降至零时的压力，静态_压力Ps是周围流体对给定点施加的压力，而动态压力，P_d，也称为冲压压力，与给定点的流体密度、α 和流动速度V直接相关。 此方程仅适用于不可压缩的流量，如液体流量和低速气流（通常小于 100 m/s）。

从上述方程中，我们可以以压差和流体密度表示流量速度 V，如:

在18^世纪，法国工程师亨利·皮托发明了皮托管[1]，在19世纪中叶，法国科学家亨利·达西将其修改为现代形式[2]。在20^世纪初，德国空气动力学家路德维希·普朗特尔将静态压力测量和皮托管结合到皮托静态管中，今天被广泛应用。

图 1 显示了皮托静态管的示意图。管中有 2 个开口:一个开口直接面对流以感知停滞压力，另一个开口垂直于流量以测量静态压力。

图 1.皮托静态管的原理图。

需要压差来确定流量速度，流量通常由压力传感器测量。在本实验中，液体柱操纵计用于提供良好的视觉测量压力变化。压差确定如下:

其中 μh是压力计的高度差，μ _L是压力计中液体的密度，g是重力引起的加速度。结合方程 2 和 3，流速通过以下公式预测:

代表结果如表1及表2所示。实验结果与实际风速一致。Pitot 静态管准确预测空速，最大误差百分比约为 4.2%。这可能是由于设置风洞空速时的错误、读取压力计的误差以及 Pitot 静态管的仪器错误。

表 1.基于各种风洞速度的操纵仪读数计算的空速和误差。

风洞空速 （英里/	电表读数（在水中）	计算出的空速（英里/小时）	错误百分比 （%）
50	1.1	48.04	-3.93
60	1.6	57.93	-3.45
70	2.15	67.16	-4.06
80	2.8	76.64	-4.20
90	3.6	86.90	-3.45
100	4.4	96.07	-3.93
110	5.4	106.43	-3.25
120	6.5	116.77	-2.69
130	7.8	127.91	-1.61

表2.基于不同连接角度的操纵仪读数计算的空速和误差。

皮托-静态管攻击角度 （°）	电表读数（在水中）	计算出的空速（英里/小时）	错误百分比 （%）
0	4.4	96.07	0.00
4	4.5	97.16	1.13
8	4.5	97.16	1.13
12	4.6	98.23	2.25
16	4.65	98.76	2.80
20	4.7	99.29	3.35
24	4.55	97.69	1.69
28	4.3	94.97	-1.14

在表 2 中，将百分比误差与表 1 中的零角度情况进行比较。结果表明，皮托-静态管对与流动方向不协调不敏感。最大差异发生在大约 20° 的攻击角度。零角读数误差为 3.35%。随着攻击角度的增加，停滞和静态压力测量都减少了。两个压力读数倾向于相互补偿，以便管产生速度读数，准确到 3 - 4% 的攻击角度高达 30°。这是普朗格设计的主要优势，优于其他类型的皮托管。

空速信息对于航空应用至关重要，例如飞机和无人机。Pitot 静态管通常连接到机械仪表，以显示驾驶舱前面板的空速。对于商用飞机，它还连接到机载飞行控制系统。

平静态系统读数中的错误可能极其危险。商用飞机通常有 1 或 2 个冗余皮托静态系统。为了防止结冰，皮托管在飞行过程中加热。许多商业航空公司事故和事故都追溯到皮托静态系统的故障。例如，2008年，Caraibes航空公司报告了其A330s上的皮托管结冰事故的两起事故[3]。

在工业领域，管道和管道中的空速可以通过皮托管进行测量，因为风速计或其他流量计难以安装。皮托管可以很容易地通过管道中的一个小孔插入。

在本次演示中，在风洞中检查了皮托静态管的使用，并利用测量值预测了风洞中的风速。皮托-静态管预测的结果与风洞设置密切相关。还研究了皮托静态管可能失调的敏感性，并得出结论，皮托静态管对28°的错位和攻击角度不特别敏感。