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Concepts
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Measuring Air Speed Using a Pitot-static Tube
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Results
Fonte: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
Um tubo pitot-estático é amplamente utilizado para medir velocidades desconhecidas no fluxo de ar, por exemplo, é usado para medir a velocidade do ar do avião. Pelo princípio de Bernoulli, a velocidade do ar está diretamente relacionada com variações de pressão. Portanto, o tubo pitot-estático sente a pressão estagnada e a pressão estática. Está conectado a um manômetro ou transdutor de pressão para obter leituras de pressão, o que permite a previsão da velocidade do ar.
Neste experimento, um túnel de vento é utilizado para gerar certas velocidades de ar, o que é comparado com as previsões do tubo estático pitot. Também é investigada a sensibilidade do tubo pitot-estático devido ao desalinhamento em relação à direção do fluxo. Este experimento demonstrará como a velocidade de fluxo de ar é medida usando um tubo estático pitot. O objetivo será prever a velocidade de fluxo de ar com base nas medições de pressão obtidas.
O princípio de Bernoulli afirma que um aumento na velocidade de um fluido ocorre simultaneamente com uma diminuição da pressão e vice-versa. Especificamente, se a velocidade de um fluido diminuir para zero, então a pressão do fluido aumentará ao máximo. Isso é conhecido como pressão de estagnação ou pressão total. Uma forma especial da equação de Bernoulli é a seguinte:
Pressão de estagnação = pressão estática + pressão dinâmica
onde a pressão de estagnação, Po, é a pressão se a velocidade de fluxo for reduzida a zero isentropicamente, a pressão estática, Ps,é a pressão que o fluido circundante está exercendo sobre um determinado ponto, e a pressão dinâmica, Pd, também chamada de pressão de carneiro, está diretamente relacionada com a densidade do fluido, ρ, e velocidade de fluxo, V,por um determinado ponto. Esta equação só se aplica ao fluxo incompressível, como fluxo líquido e fluxo de ar de baixa velocidade (geralmente menos de 100 m/s).
Da equação acima, podemos expressar velocidade de fluxo, V, em termos de diferencial de pressão e densidade de fluidos como:
No séculoXVIII, o engenheiro francês Henri Pitot inventou o tubo Pitot [1], e em meados do séculoXIX, o cientista francês Henry Darcy o modificou para sua forma moderna [2]. No início do séculoXX, o aerodinâmico alemão Ludwig Prandtl combinou a medição da pressão estática e o tubo Pitot no tubo estático pitot, que é amplamente utilizado hoje.
Um esquema de um tubo pitot-estático é mostrado na Figura 1. Há duas aberturas nos tubos: uma abertura enfrenta o fluxo diretamente para sentir a pressão de estagnação, e a outra abertura é perpendicular ao fluxo para medir a pressão estática.
Figura 1. Esquema de um tubo pitot-estático.
O diferencial de pressão é necessário para determinar a velocidade de fluxo, que normalmente é medida por transdutores de pressão. Neste experimento, um manômetro de coluna líquida é usado para fornecer um bom visual para medir a mudança de pressão. O diferencial de pressão é determinado da seguinte forma:
onde Δh é a diferença de altura do manômetro, ρL é a densidade do líquido no manômetro, e g é a aceleração devido à gravidade. Combinando equações 2 e 3, a velocidade de fluxo é prevista por:
1. Gravar leituras de pressão do manômetro com alterações na velocidade do ar.
2. Investigue a precisão dos tubos estáticos pitot com um ângulo positivo de ataque.
Os resultados representativos são mostrados na Tabela 1 e Tabela 2. Os resultados do experimento estão de acordo com a velocidade real do vento. O tubo estático pitot previu com precisão a velocidade do ar com uma porcentagem máxima de erro de aproximadamente 4,2%. Isso pode ser atribuído a erros na configuração da velocidade do túnel de vento, erros de leitura do manômetro e erros de instrumentos do tubo estático pitot.
Mesa 1. Velocidade de ar calculada e erro com base na leitura do manômetro em várias velocidades do túnel de vento.
Velocidade do túnel de vento (mph) | Leitura do manômetro (em. água) | Velocidade de ar calculada (mph) | Erro percentual (%) |
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 |
Mesa 2. Velocidade de ar calculada e erro com base na leitura do manômetro em vários ângulos de conexão.
Ângulo de ataque do tubo pitot-estático (°) | Leituras do manômetro (na água) | Velocidade de ar calculada (mph) | Erro percentual (%) |
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 |
Na Tabela 2, o erro percentual é comparado com o caso de ângulo zero na Tabela 1. Os resultados indicam que o tubo pitot-estático é insensível ao desalinhamento com as direções de fluxo. A maior discrepância ocorreu em um ângulo de ataque de cerca de 20°. Obteve-se um erro de 3,35% em relação à leitura de ângulo zero. À medida que o ângulo de ataque aumentava, tanto a estagnação quanto as medidas de pressão estática diminuíram. As duas leituras de pressão tendem a compensar uma à outra para que o tubo produza leituras de velocidade que são precisas de 3 a 4% para ângulos de ataque de até 30°. Esta é a principal vantagem do design Prandtl sobre outros tipos de tubos Pitot.
As informações sobre a velocidade aérea são fundamentais para aplicações de aviação, como para aeronaves e drones. Um tubo pitot-estático é tipicamente conectado a um medidor mecânico para mostrar a velocidade do ar no painel frontal do cockpit. Para aeronaves comerciais, também está conectado ao sistema de controle de voo a bordo.
Erros nas leituras do sistema pitot-estático podem ser extremamente perigosos. Existem tipicamente 1 ou 2 sistemas estáticos Pitot redundantes para aeronaves comerciais. Para evitar o acúmulo de gelo, o tubo Pitot é aquecido durante o voo. Muitos incidentes e acidentes de companhias aéreas comerciais foram rastreados para uma falha do sistema pitot-estático. Por exemplo, em 2008, a Air Caraibes relatou dois incidentes de defeitos de gelo do tubo Pitot em seus A330s [3].
Na indústria, a velocidade do ar no duto e tubo pode ser medida com tubos Pitot onde um anêmômetro ou outros medidores de fluxo seriam difíceis de instalar. O tubo Pitot pode ser facilmente inserido através de um pequeno orifício no duto.
Nesta demonstração, o uso de tubos estáticos pitot foi examinado em um túnel de vento e as medidas foram usadas para prever a velocidade do ar no túnel de vento. Os resultados previstos pelo tubo pitot-estático correlacionaram-se bem com as configurações do túnel de vento. A sensibilidade de possível desalinhamento do tubo pitot-estático também foi investigada e concluiu-se que o tubo pitot-estático não é particularmente sensível ao desalinhamento até e ângulo de ataque de 28°.
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