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Concepts
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Measuring Air Speed Using a Pitot-static Tube
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Results
出典:デビッド・グオ、工学・技術・航空学部(CETA)、南ニューハンプシャー大学(SNHU)、マンチェスター、ニューハンプシャー州
ピトースタティックチューブは、空気の流れの未知の速度を測定するために広く使用され、例えば、飛行機の対気速度を測定するために使用されます。ベルヌーイの原理では、対気速度は圧力の変動に直接関係しています。従って、ピトー静電気管は停滞圧力および静的圧力を感知する。それは圧力の読書を得るために圧力の変圧器に接続され、対速度の予測を可能にする。
この実験では、風洞を利用して特定の対気速度を生成し、ピトー静電気管予測と比較します。流れ方向に対するずさんによるピトー静電気管の感度も調べられる。この実験では、ピトー静的チューブを用いて気流速度を測定する方法を示します。目標は、得られた圧力測定値に基づいて気流速度を予測することです。
ベルヌーイの原理は、流体の速度の増加は圧力の低下と同時に起こり、その逆も同様であると述べています。具体的には、流体の速度がゼロに減少した場合、流体の圧力は最大値まで増加します。これは、停滞圧力または総圧力と呼ばれます。ベルヌーイの方程式の1つの特別な形態は次のとおりです。
停滞圧力=静圧+動的圧力
ここで、停滞圧力、P oは、流速がゼロに減少した場合の圧力である、静圧、Psは、周囲の流体が所定の点に及ぼす圧力であり、動的圧力、Pdはラム圧とも呼ばれ、所定の点の流体密度、ε、および流速Vに直接関連します。 この方程式は、液体流れや低速気流(一般に100m/s未満)などの非圧縮性流れに適用されます。
上記の方程式から、圧力差と流体密度の観点から、流速Vを次のように表現できます。
18世紀には、フランスのエンジニアアンリ・ピトがピトー管[1]を発明し、19世紀半ばにフランスの科学者ヘンリー・ダーシーが現代の形に変更しました[2]。20世紀初頭、ドイツの空力学者ルートヴィヒ・プラントルは、静的圧力測定とピトー管を組み合わせてピトー静的チューブに組み込み、現在広く使用されています。
ピトー静的チューブの概略図を図 1 に示します。管内には2つの開口部があり、一方の開口部は停滞圧力を感知するために流れに直接面し、もう一方の開口部は静圧を測定するために流れに垂直である。
図 1.ピトー静的チューブの回路図。
圧力差は、通常、圧力トランスデューサによって測定される流速を決定するために必要です。この実験では、液体カラムの圧計を使用して、圧力の変化を測定するための良好な視覚を提供します。圧力差は次のように決定されます。
Δhはマノメーターの高さの差であり、εLはマノメーター内の液体の密度であり、gは重力による加速度である。方程式 2 と 3 を組み合わせると、流量速度は次のように予測されます。
1.対気速度の変化に伴う圧力測定値を記録します。
2.攻撃の正の角度でピトー静的チューブの精度を調査します。
代表的な結果を表 1および表 2に示します。実験の結果は実際の風速と良好に一致している。ピトー静的管は、約4.2%の誤差の最大パーセンテージで対気速度を正確に予測しました。これは、風洞の対気速度の設定のエラー、Pitot-static チューブのマノメーターと計測器のエラーの読み取りエラーに起因する可能性があります。
表 1.様々な風洞速度での操縦計の読み取りに基づいて、対気速度と誤差を計算しました。
風洞対気速度(時速) | マノメーターの読み取り(水中) | 計算された対気速度 (時速) | パーセントエラー (%) |
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.アタッチの様々な角度での操縦計の読み取りに基づいて、対気速度と誤差を計算しました。
ピトー静的チューブ攻撃角度(°) | マノメーターの測定値(水中) | 計算された対気速度 (時速) | パーセントエラー (%) |
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 |
表 2 では、パーセンテージ エラーが表 1 のゼロアングルの場合と比較されます。結果は、ピトー静的チューブが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。最も高い不一致は、約20°の攻撃の角度で発生しました。ゼロ角度読み取りに対して3.35%の誤差が得られた。攻撃の角度が大きくなるにつれて、停滞と静的圧力の両方の測定値が減少しました。2つの圧力の読書は管が30°までの攻撃の角度のために3-4%に正確である速度の読書を得るように互いに補償する傾向がある。これはピトー管の他のタイプよりPrandtlの設計の主な利点である。
対気速度情報は、航空機やドローンなどの航空用途に不可欠です。ピトースタティックチューブは、通常、コックピットのフロントパネルで対気速度を示すために機械メーターに接続されます。民間航空機の場合は、機内飛行制御システムにも接続されています。
ピトー静的システムの読み取り値のエラーは非常に危険です。通常、民間航空機には 1 つまたは 2 つの冗長ピトースタティック システムがあります。氷の蓄積を防ぐために、ピトー管は飛行中に加熱される。多くの民間航空会社の事故や事故は、ピトー静的システムの障害にたどり着きました。例えば、2008年にエア・カライベスは、A330s[3]でピトー管アイシングの誤動作の2つの事件を報告しました。
業界では、ダクトとチューブの対気速度は、風速計やその他の流量計を取り付けるのが困難なピトーチューブで測定できます。ピトー管は管の小さい穴を通して容易に挿入することができる。
このデモンストレーションでは、風洞におけるピトー静電気管の使用を検討し、その測定を用いて風洞の対気速度を予測した。ピトー静的管によって予測された結果は、風洞の設定とよく相関していました。ピトー静的管のミスアライメントの可能性の感度も調査され、ピトー静的チューブは28°までの不整列と攻撃角度に特に敏感ではないと結論付けました。
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