Измерительные трубки в гидроаэромеханике - устройства для измерения величины и
направления скорости, а также расхода жидкости или газа, основанные на определении
давления в потоке. Применяются для измерения скоростей течения водных и воздушных
потоков, а также относит. скоростей движения судов и самолётов.
Широко распространена комбинированная трубка Пито - Прандтля, представляющая
собой цилиндрическую трубку с полусферич. носиком (рис. 1), ось к-рой устанавливается вдоль потока. Через
центр, отверстие на полусфере (критич. точка) измеряется полное давление р0, к-рое реализуется при изоэнтропич. торможении потока до нулевой скорости.
Другое отверстие (или ряд отверстий) I располагается
на боковой поверхности трубки и служит для измерения статич. давления р. Геом. форма Т. и., форма отверстий и расстояние от них до носика трубки
выбираются так, чтобы давление в боковых отверстиях по возможности мало отличалось
от статич. давления в исследуемой точке потока. Небольшое несоответствие давлений
учитывается поправочным коэф. x к-рый определяют калибровкой. Зная р и
р0, вычисляют скорость потока u на основании
Бернулли уравнения. Для несжимаемой жидкости
плотность r может быть найдена по Клапейрона уравнению или др. способом.
При скоростях воздуха выше 50-60 м/с необходимо учитывать сжимаемость воздуха.
Рис. 1. Схема трубки Пито - Прандтля.
Трубка Пито - Прандтля
применяется также для определения u и Маха числа М в сверхзвуковом
потоке. В этом случае перед трубкой образуется ударная волна и измеряемое
в центр. отверстии давление практически равно давлению торможения
за прямой ударной волной. При известном из др. измерений давлении изоэнтропич.
торможения р0 по величине отношения
можно определить М в потоке перед трубкой. Измеряемые трубкой значения
р0 или (соответственно
при дозвуковой или сверхзвуковой скорости) почти не зависят от угла между вектором
местной скорости и осью трубки, пока этот угол не превышает 15-20°, но значения
статич. давления р сильно зависят от этого угла даже при небольшой его
величине.
При малых скоростях потока
(u<6 м/с) или при больших разрежениях, когда Рейнольдса
число Re<300, наблюдается значит. возрастание коэф. x. Трубкой Пито -
Прандтля можно пользоваться и при очень малых Re, включая и свободномолекулярное
течение (см. Динамика разреженных газов)(при M/Re>1), однако
её практич. применение для этих течений наталкивается на ряд трудностей, связанных
с калибровкой и измерением весьма малых абс. давлений.
Для измерения скорости
потока существует множество модификаций трубки Пито - Прандтля (трубки Брабе,
Лосиевского, Престона и др.); кроме того, скорость определяют Вентури трубкой. Направление потока измеряют цилиндрич. и сферич. насадками, комбинациями
из трёх расположенных под углом друг к другу трубок Пито и т. д., показания
к-рых очень чувствительны к направлению потока.
Для исследования полей скоростей в пограничном слое потока вязкой жидкости или газа вблизи твёрдой стенки применяется трубка Стэнтона, измеряющая скоростной напор в потоке с большим вертикальным градиентом скорости (рис. 2); она устанавливается непосредственно на поверхности обтекаемого тела и перемещается по вертикали микрометрич. винтом. Измеренное трубкой давление относится к эфф. расстоянию от стенки, определяемому из калибровки. Скорость вычисляют по разности полного давления, измеренного трубкой, и статич. давления на стенке канала.
Рис. 2. Схема трубки Стэнтона.