История создания и назначение
Трубка Пито-Прандтля — это классический пневмометрический прибор, предназначенный для измерения скорости, направления и расхода газов и жидкостей. Её работа основана на измерении давления в потоке. Инструмент был изобретён в 1732 году французским инженером Анри Пито, а впоследствии, в XX веке, усовершенствован немецким учёным Людвигом Прандтлем, что и дало прибору его двойное название.
Конструкция и принцип действия
Прибор представляет собой цилиндрическую трубку, ось которой ориентирована вдоль потока. Её носовая часть имеет полусферическую форму. В центре этой полусферы находится отверстие, которое служит для измерения полного (или заторможенного) давления в так называемой критической точке.
Для определения статического давления в потоке на боковой поверхности трубки, на расстоянии нескольких её диаметров от носика, расположены одно или несколько отверстий. Конструкция, включая форму трубки и взаимное расположение отверстий, тщательно рассчитана так, чтобы давление в этих боковых отверстиях максимально точно соответствовало статическому давлению в данной точке невозмущённого потока.
Для учёта возможных небольших отклонений вводится поправочный коэффициент, который определяется в процессе тарировки (калибровки) прибора.
Теоретические основы расчёта скорости
Скорость потока вычисляется на основе уравнения Бернулли, которое связывает статическое и динамическое давление со скоростью. Для несжимаемых жидкостей (например, воды) плотность считается постоянной. Для газов, таких как воздух, при скоростях потока до 50 м/с также можно пренебречь сжимаемостью. Однако для более высоких скоростей, особенно приближающихся к скорости звука и превышающих её, сжимаемость воздуха становится критически важным фактором, и её обязательно учитывают в расчётах, в том числе для определения числа Маха.
Области применения
Трубка Пито-Прандтля нашла широчайшее применение в различных областях науки и техники. Её используют для измерения скорости течения воды в трубопроводах, открытых каналах и реках. В аэродинамике она служит для измерения скоростей воздушных потоков в аэродинамических трубах, а также относительных скоростей движения самолётов и кораблей. На её основе создано множество модификаций, адаптированных для конкретных задач, включая измерения в сверхзвуковых потоках.