Bernoullis Prinzip besagt, dass eine Erhöhung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit gleichzeitig mit einer Druckabnahme auftritt und umgekehrt. Insbesondere, wenn die Geschwindigkeit einer Flüssigkeit auf Null sinkt, dann wird der Druck der Flüssigkeit auf ihr Maximum erhöhen. Dies wird als Stagnationsdruck oder Gesamtdruck bezeichnet. Eine besondere Form der Bernoulli-Gleichung ist:

Stagnationsdruck = statischer Druck + dynamischer Druck

wobei der Stagnationsdruck, P_o, der Druck ist, wenn die Durchflussgeschwindigkeit auf Null reduziert wird, istentropisch, der statische Druck, P_s, der Druck, den die umgebende Flüssigkeit auf einen bestimmten Punkt ausübt, und der dynamische Druck, P_d, auch Ram-Druck genannt, steht in direktem Zusammenhang mit der Flüssigkeitsdichte, der- und der Fließgeschwindigkeit, V, für einen bestimmten Punkt. Diese Gleichung gilt nur für den inkompressbaren Durchfluss, z. B. Flüssigkeitsstrom und Luftstrom mit niedriger Geschwindigkeit (in der Regel weniger als 100 m/s).

Aus der obigen Gleichung können wir die Strömungsgeschwindigkeit, V, in Bezug auf Druckdifferenz und Flüssigkeitsdichte wie:

Im^18. Jahrhundert erfand der französische Ingenieur Henri Pitot die Pitot-Röhre [1], und Mitte des^19. Jahrhunderts modifizierte der französische Wissenschaftler Henry Darcy sie in ihre moderne Form [2]. Anfang des^20. Jahrhunderts kombinierte der deutsche Aerodynamiker Ludwig Prandtl die statische Druckmessung und das Pitot-Rohr in das heute weit verbreitete Pitot-Statikrohr.

Ein Schaltplan einer Pitot-statischen Röhre ist in Abbildung 1 dargestellt. Es gibt 2 Öffnungen in den Rohren: eine Öffnung stellt sich dem Fluss direkt, um den Stagnationsdruck zu spüren, und die andere Öffnung ist senkrecht zum Durchfluss, um den statischen Druck zu messen.

Abbildung 1. Schemat eines Pitot-statischen Rohres.

Das Druckdifferenzial ist erforderlich, um die Durchflussgeschwindigkeit zu bestimmen, die typischerweise durch Druckaufnehmer gemessen wird. In diesem Experiment wird ein flüssiges Säulenmanometer verwendet, um eine gute visuelle Darstellung zu liefern, um die Druckänderung zu messen. Die Druckdifferenz wird wie folgt bestimmt:

wobei der Höhenunterschied des Manometersh, L die Dichte der Flüssigkeit im Manometer und g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft ist. Durch Die Kombination der Gleichungen 2 und 3 wird die Strömungsgeschwindigkeit vorhergesagt durch:

Repräsentative Ergebnisse sind in Tabelle 1 und Tabelle 2dargestellt. Die Ergebnisse des Experiments sind mit der tatsächlichen Windgeschwindigkeit in gutem Verhältnis. Die Pitot-statische Röhre prognostizierte genau die Fluggeschwindigkeit mit einem maximalen Fehlerprozentsatz von etwa 4,2%. Dies ist auf Fehler bei der Einstellung der Windkanal-Fluggeschwindigkeit, Fehler beim Ablesen des Manometers und Instrumentenfehler des Pitot-statischen Rohres zurückzuführen.

Tabelle 1. Berechnete Fluggeschwindigkeit und Fehler basierend auf Manometer-Messwerten bei verschiedenen Windkanalgeschwindigkeiten.

Tabelle 2. Berechnete Fluggeschwindigkeit und Fehler basierend auf Manometer-Messung in verschiedenen Winkeln der Befestigung.

In Tabelle 2 wird der prozentuale Fehler mit dem Nullwinkelfall in Tabelle 1 verglichen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Pitot-statische Rohr unempfindlich gegen Fehlausrichtung mit Strömungsrichtungen ist. Die höchste Diskrepanz trat bei einem Angriffswinkel von etwa 20° auf. Bei der Nullwinkelmessung wurde ein Fehler von 3,35 % ermittelt. Als der Angriffswinkel zunahm, nahmen sowohl die Stagnation als auch die statischen Druckmessungen ab. Die beiden Druckwerte neigen dazu, sich gegenseitig zu kompensieren, so dass das Rohr Geschwindigkeitsmessungen liefert, die für Angriffswinkel bis zu 30° genau sind. Dies ist der Hauptvorteil des Prandtl-Designs gegenüber anderen Arten von Pitot-Rohren.

Fluggeschwindigkeitsinformationen sind für Luftfahrtanwendungen, z. B. für Flugzeuge und Drohnen, von entscheidender Bedeutung. Ein Pitot-statisches Rohr ist in der Regel mit einem mechanischen Messgerät verbunden, um die Fluggeschwindigkeit an der Frontplatte im Cockpit anzuzeigen. Für Verkehrsflugzeuge ist es auch an das Bordflugleitsystem angeschlossen.

Fehler bei pitotstatischen Systemwerten können äußerst gefährlich sein. Es gibt in der Regel 1 oder 2 redundante Pitot-statische Systeme für Verkehrsflugzeuge. Um Eisbildung zu verhindern, wird die Pitot-Röhre während des Fluges erwärmt. Viele Zwischenfälle und Unfälle von kommerziellen Fluggesellschaften wurden auf einen Ausfall des Pitot-statik-Systems zurückgeführt. So meldete Air Caraibes 2008 zwei Vorfälle von Pitot-Rohrvereisungsstörungen an seinen A330 [3].

In der Industrie kann die Fluggeschwindigkeit in Kanal und Schläuche närzuzung mit Pitot-Rohren gemessen werden, bei denen ein Anemometer oder andere Durchflussmesser schwer zu installieren wären. Das Pitot-Rohr kann einfach durch ein kleines Loch im Kanal eingesetzt werden.

In dieser Demonstration wurde der Einsatz von Pitot-statischen Rohren in einem Windkanal untersucht und die Messungen wurden verwendet, um die Fluggeschwindigkeit im Windkanal vorherzusagen. Die von der Pitot-statischen Röhre vorhergesagten Ergebnisse korrelierten gut mit den Windkanaleinstellungen. Die Empfindlichkeit einer möglichen Fehlausrichtung des Pitot-statischen Rohres wurde ebenfalls untersucht und es wurde der Schluss gezogen, dass das Pitot-statische Rohr nicht besonders empfindlich auf Fehlausrichtung bis zu und Angriffswinkel von 28° reagiert.