空速管工作原理探究实验装置设计
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)
式中：P为空气的静压；ρ为空气的密度；V为气流的速度；P*为空气的总压。即空气在流动过程中总压P*不变，动压1/2ρV2和静压P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PH；空速管前端的孔叫全压孔，用来感受总压P*；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）不同风速进行多次实验并真实记录实验数据；
2）注意单位，严格进行实验数据计算，避免计算错误。
3）把握好鼓风机与空速管进气口距离；
3）注意观察U型管内是否存在初始液面差；
4）鼓风机与空速管进气口及风速仪相对位置；
5）两个风速仪及空速管进气口应该在一个水平面上；
6）为了保证实验结果的准确性，每次测量均重复3次，最终结果取平均值。
4.实验结论
1）实验装置能够较为准确的测量风速；读表可得，当风速仪测量的风速为20.45m/s时，实验装置测得风速为18.851m/s，平均误差为-7.8%，考虑到装置比较简易，且伯努利方程在低风速使用时本身理论误差也较大，该误差属于可以接受的范围，这证明本项目设计的实验装置可以较为准确地测量风速。
2）标准实验测量结果偏小；无论风速大小，实验装置测量获得的风速均小于商用风速仪测量结果，其可能原因是气流在动压管中滞止时，由于管壁不光滑等原因，滞止过程并为等熵绝能过程，存在能量损失，导致总压管感受到的总压偏小。
3）风速越大，实验装置的测量误差越小；当风速为10.5m/s时，误差在20%左右，当风速15.4m/s时，误差在14%左右，当风速为21.6m/s时，误差在8%左右，这说明风速越大，实验装置的测量误差越小。这也提示在后续实验中需要保证足够大的风速，建议鼓风机使用3档以上，但同时也要注意不要超过风速仪的量程。
表1 实验数据及处理
实验数据
数据处理
序号
档位
V1(m/s)
V2(m/s)
Δh(mm)
（m/s)
V测（m/s)
误差
1
2
10.6
11.8
5.0
11.20
8.98
-19.76%
2
2
10.5
12.2
5.0
11.35
8.98
-20.81%
3
2
航空发动机原理
10.5
12.1
5.0
11.30
8.98
-20.47%
4
3
15.4
15.8
11.0
15.60
13.32
-14.56%
5
3
15.4
15.7
11.0
15.55
13.32
-14.28%
6
3
15.3
15.9
11.0
15.60
13.32
-14.56%
7
4
21.6
19.4
22.0
20.50
18.85
-8.04%
8
4
21.6
19.2
22.0
20.40
18.851
-7.59%
9
4
21.7
19.2
22.0
20.45
18.851
-7.82%
三、总结
从伯努利原理出发，基于U型管测量气压差的想法，设计并制作了简易的空速管工作原理探究实验装置，经过实验测试，该装置能够比较准确的测量风速，可以用于探究了空速管的工作原理。此装置简单，便于携带，成本低，便于理解，为学员提供更科学的、完善的、标准化的实验器材，以及帮助学员动手实践的过程中实现理论和实践的融合、体会实验当中的科学精神、强化严谨细致的维护作风。还可以用于《航空发动机原理》课程实践课上开展“空速管工作原理探究实验”，帮助学员理解空速管工作原理，掌握空速管测量结果的影响因素。

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