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空速管工作原理探究实验装置设计

摘要:空速管是基于伯努利原理的飞行速度测量工具是飞机上极为重要

的测量工具,广泛应用在各型航空飞行器上。为了帮助学员快速理解空速管工作

原理及其测量精度影响因素,提高学员对航空装备的兴趣和爱好,提升实践教学

效果。本项目提出一种使用U型管测量风速的方法,并且制作相应的空速管工作

原理探究实验装置。

关键词:空速管实验装置伯努利原理

1

一、空速管工作原理

空速管是飞机飞行速度的测量工具,其工作的核心原理是伯努利方程。

(一)伯努利方程

伯努利方程的实质是流体中的机械能守恒,即空气在流动过程中动能和势能

的相互转化是守恒的,当假设空气无粘性不可压且忽略重力势能时,可写成

(1)

PρVP

式中:为空气的静压;为空气的密度;为气流的速度;*为空气的总

PρVP

压。即空气在流动过程中总压*不变,动压1/22和静压可以相互转化。

(二)基于伯努利方程测量风速的原理

根据简化后的伯努利方程,可以获得飞行速度V的计算公式为

(2)

由此可知,如果能够测得空气总压与静压的差值ΔP以及空气密度ρ,就可

以计算获得飞行速度。

基于这一原理设计的空速管装置如图1所示,管上有两种孔,侧壁上一排孔

叫静压孔,用于感受大气静压P;空速管前端的孔叫全压孔,用来感受总压P*;

H

再通过查表获得大气密度就可以进一步获得飞行速度。

图1空速管装置示意图

(三)空速管测量精度影响因素分析

伯努利方程的适用条件是非常苛刻的,它是理想、一维定常、无粘性、不可

压的流体沿流线的表达式,简化后的伯努利方程还要求重力势能可以忽略,这些

条件一旦被破坏,伯努利方程不成立,那么基于伯努利方程测速的空速管所获得

的结果也就是不准确的了。当然实际的空气在流动时,是基本上无法满足理想、

一维定常、无粘性、不可压这三个条件的,只在一些特定情形下才满足,比如飞

机飞行状态比较稳定时,可近似认为是一维定常流动,飞行速度小于0.3马赫时,

认为气体不可压。基于以上分析,在使用空速管测量风速时应当注意:

(1)读取数值时,气流应当稳定;

(2)静压孔与全压孔应保持适当位置,减弱全压孔处的扰流对静压孔产生

影响。

二、实验方案设计及实验实施过程

1.实验方案设计

本实验方案的重点是要测量总压和静压,为此准备实验器材:试验台,铁架

台,鼓风机,风速仪,直尺,温度湿度计,硅胶透明软管。其中:

1)鼓风机用于产生稳定的气流,共五档,档位越高风速越大。

2)风速仪直接测量风速。

3)U型压力计内装液体,感受总压和静压差,最终反应为左右液面差。

4)直尺用于测量鼓风机到空速管之间的距离。

5)温度计用于测量当地温度。

6)硅胶透明软管用于延伸U型管,方便感受气流。

实验装置如图2所示。

图2实验装置示意图

2.实验实施过程

1)将铁架台置于实验桌上。

2)将水注入U型管中,使U型管内水的高度处于管的1/2处,并使两液面

保持同一高度。

3)将U型管与铁架台固定,保证全压管在前,静压管在侧面,且静压管要

避开风口。

4)读出U型管固定在铁架台上的初始液面差,并记录数据。

5)用风速仪测出鼓风机不同档位的风速,并记录数据。

6)将鼓风机置于全压管正前方一定距离处,用直尺测出鼓风机与全压管的

距离并记录数据。

7)选择合适档位,开启鼓风机,等待风速平稳后,测量软管内的液面高度

差,记录数据,并计算实验误差。

3.注意事项

为了保证实验精度,应当注意:

1)不同风速进行

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