林雪麗 秦平 李明君 王沛云 辛阿阿

(國家海洋局北海標準計量中心，青島 266033)

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EDE14A2型風(fēng)洞中皮托管安裝方式對風(fēng)速測量的影響*

林雪麗 秦平 李明君 王沛云 辛阿阿

(國家海洋局北海標準計量中心，青島 266033)

EDE14A2型風(fēng)洞中皮托管的安裝方式對風(fēng)速測量的準確度存在影響。在對該風(fēng)洞進行一系列的性能測試時發(fā)現(xiàn)，皮托管頭部平行于風(fēng)洞管道軸線時，皮托管測得的風(fēng)速值明顯小于皮托管頭部偏離風(fēng)洞管道軸線一定角度時測得的風(fēng)速值。本文通過理論分析與實驗驗證，提出對提高EDE14A2型風(fēng)洞在風(fēng)速計量工作中提高風(fēng)速測量準確度的方法。

EDE14A2型風(fēng)洞；皮托管；偏角；風(fēng)速測量

0 引言

EDE14A2型風(fēng)洞是小型直流、低速風(fēng)洞，具有流場流速均勻性、穩(wěn)定性好，噪音較低，操作簡便等優(yōu)點。皮托管具有制造簡單，操作使用方便，準確度高等優(yōu)點。使用皮托管測量流速目前仍是最經(jīng)典與廣泛的方法。本文中EDE14A2型風(fēng)洞的工作段，采用皮托管作為風(fēng)速測量的標準器。

JJG 431—2014《輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表檢定規(guī)程》對皮托管在風(fēng)洞工作段中的安裝要求為：皮托管總壓孔應(yīng)對準“氣流來向”[1];國際標準ISO 3966—2008對皮托管在管道中的安裝要求為：皮托管頭的軸線應(yīng)平行于管道軸線[2]。實際風(fēng)速測量中，我們通過目測皮托管頭部平行于風(fēng)洞管道軸線，作為皮托管總壓孔對準氣流來向的標準。

EDE14A2型風(fēng)洞中，皮托管測量風(fēng)速的斷面位于風(fēng)洞工作段前端靠近收縮段的位置。實際工作中我們發(fā)現(xiàn)皮托管在這種安裝方式下進行風(fēng)速表的檢定、校準工作時，被檢風(fēng)速表的檢定或校準結(jié)果其誤差多為正值。由此設(shè)想皮托管測得的風(fēng)速值有可能小于實際風(fēng)速。導(dǎo)致皮托管測得的風(fēng)速小于實際風(fēng)速的原因可能是皮托管頭部平行于風(fēng)洞管道軸線時，總壓孔并沒有有效對準氣流來向，因此測得的實際風(fēng)速偏小。本文將通過實驗過程，驗證皮托管在此處的風(fēng)速測量情況。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

(1)

式中：U為風(fēng)速，單位m/s；p2為動壓，Pa；p1為靜壓，Pa；Δp為差壓值，在本文中由補償式微壓計讀取，Pa；ρ為流體密度，kg/m3。

1.2 實驗設(shè)備

1.2.1 設(shè)備名稱

本文所述實驗中使用的設(shè)備為風(fēng)速表檢定裝置。風(fēng)速表檢定裝置標準器：二等標準皮托管、二等標準補償式微壓計；風(fēng)速表檢定裝置輔助設(shè)備：EDE14A2型風(fēng)洞、溫度表、濕度表、氣壓表。

1.2.2 主要設(shè)備參數(shù)及示意圖

EDE14A2型風(fēng)洞長3080mm，穩(wěn)定段截面為圓形，穩(wěn)定段尺寸(Φ540×520)mm，工作段截面為圓形，工作段尺寸(Φ240×380)mm。

皮托管在EDE14A2型風(fēng)洞工作段內(nèi)的基本安裝方式如圖1所示，皮托管的剖面圖如圖2所示。

圖1 EDE14A2型風(fēng)洞中皮托管安裝位置示意圖

圖2 皮托管剖面圖

1.3 實驗步驟

設(shè)計實驗步驟如下：1)調(diào)整皮托管頭部平行于風(fēng)洞管道軸線，即皮托管相對于管道軸線的偏角為0°；2)設(shè)置風(fēng)機頻率為30Hz；3)使用皮托管測量風(fēng)速，記錄實驗數(shù)據(jù)不少于10組，記錄當(dāng)前環(huán)境下的溫度、濕度、氣壓值；4)依次調(diào)整皮托管頭部相對于風(fēng)洞管道軸線的偏角為5°、10°、15°、20°、25°，分別重復(fù)實驗步驟2)、3),得到皮托管在不同偏角下的風(fēng)速測量值。

上述實驗中，為減小對皮托管測量風(fēng)速的影響，風(fēng)洞工作段中不安裝被檢風(fēng)速表；皮托管頭部與風(fēng)洞管道軸線之間的偏角，指水平方向調(diào)整皮托管頭部與風(fēng)洞管道軸線之間的偏角。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

(1)根據(jù)場地鉆探揭露情況及設(shè)計建筑物功能，在地基主要受力層范圍內(nèi)，存在溶洞、溶槽、巖溶漏斗等，在附加荷載或振動荷載作用下，可能出現(xiàn)溶洞頂板坍塌，使地基突然下沉。

根據(jù)實驗方案得到的結(jié)果見表1，圖2為皮托管測量的風(fēng)速均值與皮托管頭部相對于風(fēng)洞管道軸線偏角的變化曲線。

表1 皮托管在不同偏角下測得的風(fēng)速均值

圖3 風(fēng)速均值隨皮托管偏角的變化曲線

2.2 結(jié)果分析

對上述實驗結(jié)果的分析如下：1)當(dāng)皮托管頭部與風(fēng)洞管道軸線之間的偏角約為15°時，皮托管測得最大風(fēng)速值18.26m/s，偏角大于20°時，測量的風(fēng)速值急劇減??；2)皮托管頭部與風(fēng)洞管道軸線之間的偏角在(0～20)°范圍內(nèi)，偏角為0°時皮托管測得最小風(fēng)速值18.01m/s；3)經(jīng)計算得到，皮托管頭部與風(fēng)洞管道軸線的偏角在(0～20)°范圍內(nèi)變化時，皮托管測得的風(fēng)速最大值與最小值的相對誤差為1.4%。

2.3 小結(jié)與分析

上述實驗結(jié)果表明在EDE14A2型風(fēng)洞中，當(dāng)皮托管頭部平行于風(fēng)洞管道軸線時，皮托管測得的風(fēng)速值偏小，則此時皮托管總壓孔并沒有對準實際氣流來向。而當(dāng)皮托管頭部偏離風(fēng)洞管道軸線15°時，皮托管測得的風(fēng)速值最大，則此時皮托管總壓孔在更大程度上對準了氣流來向。

圖4[3]是幾種不同的風(fēng)洞收縮段流體流線和速度云圖。由圖4中的(a)、(b)、(c)可以看出收縮段和工作段之間的速度分布比較復(fù)雜。流體的流線從進入工作段之后開始趨于平行(平行于風(fēng)洞管道軸線)。該流線流速云圖亦可較好地解釋風(fēng)洞的收縮段與工作段之間，流體的流向與風(fēng)洞管道軸線存在一定夾角，當(dāng)皮托管偏離風(fēng)洞管道軸線一定的角度可測得更接近于實際風(fēng)速的量值。

圖4 收縮段流線與速度云圖

3 結(jié)論與驗證

3.1 結(jié)論

在EDE14A2型風(fēng)洞中，使用皮托管作為風(fēng)速測量的標準器，應(yīng)使皮托管頭部偏離風(fēng)洞管道軸線一定的角度，方能使皮托管總壓孔有效對準氣流來向。該角度的確定可以通過實驗獲得(參照本文的1.3)。

3.2 驗證

為驗證以上結(jié)論，對一支DEM6型輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表進行皮托管兩種不同偏角下的示值檢定。檢定依據(jù)為JJG 431—2014《輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表檢定規(guī)程》。風(fēng)速表的安裝方式見圖1。風(fēng)速表的示值檢定結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 校準曲線Ⅰ

圖6 校準曲線Ⅱ

圖5為皮托管頭部偏離風(fēng)洞管道軸線15°時對DEM6型輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表進行示值檢定得到的校準曲線Ⅰ。用一次線性方程表示實測風(fēng)速與指示風(fēng)速之間的關(guān)系：

y=0.968x+0.28

式中：y為實測風(fēng)速即由皮托管測得的風(fēng)速；x為風(fēng)速表指示風(fēng)速。

圖6為皮托管頭部平行于風(fēng)洞管道軸線時對DEM6型輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表進行示值檢定時得到的校準曲線Ⅱ。實測風(fēng)速與指示風(fēng)速的關(guān)系式為：

y=0.958x+0.30

校準曲線Ⅱ中實測風(fēng)速和指示風(fēng)速的相對誤差明顯大于校準曲線Ⅰ中實測風(fēng)速和指示風(fēng)速的相對誤差。以上校準曲線表明當(dāng)皮托管偏離風(fēng)洞管道軸線15°時，皮托管測量的風(fēng)速值與風(fēng)速表的示值更接近，較好地驗證了本文的結(jié)論。

[1] 羅昶,李暉,倪永勝，王建森.JJG 431—2014輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速表檢定規(guī)程 [S]

[2] ISO 3966：2008 Measurement of fluid flow in closed conduits-Velocity area method using Pitot static tubes[S]

[3] 劉子娟.主動控制湍流模擬風(fēng)洞系統(tǒng)設(shè)計.中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫[C].2013：40-52

[4] 朱愛民.流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].中國計量出版社,2004：73-77

[5] 孫志強.皮托管測量影響因素分析I.檢測桿與安裝角的影響[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20(3)：692

[6] 王帥.直流式低速風(fēng)洞收縮段收縮曲線的仿真分析[J].機床與液壓，2012，40(11)：101-103

國家海洋局北海分局青年基金(2014B03)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.05