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型風洞中皮托管安裝方式對風速測量的影響*

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型風洞中皮托管的安裝方式對風速測量的準確度存在影響。在對該風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洞管道軸線時，皮托管測得的風速值明顯小于皮托管頭部偏離風洞管道軸線一定角度時測得的風速值。本文通過理論分析與實驗驗證，提出對提高EDE14A2型風洞在風速計量工作中提高風速測量準確度的方法。

EDE14A2型風洞；皮托管；偏角；風速測量

0 引言

EDE14A2型風洞是小型直流、低速風洞，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型風洞的工作段，采用皮托管作為風速測量的標準器。

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

EDE14A2型風洞中，皮托管測量風速的斷面位于風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速表的檢定、校準工作時，被檢風速表的檢定或校準結(jié)果其誤差多為正值。由此設(shè)想皮托管測得的風速值有可能小于實際風速。導致皮托管測得的風速小于實際風速的原因可能是皮托管頭部平行于風洞管道軸線時，總壓孔并沒有有效對準氣流來向，因此測得的實際風速偏小。本文將通過實驗過程，驗證皮托管在此處的風速測量情況。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

(1)

式中：U為風速，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)備為風速表檢定裝置。風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；風速表檢定裝置輔助設(shè)備：EDE14A2型風洞、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)置風機頻率為30Hz；3)使用皮托管測量風速，記錄實驗數(shù)據(jù)不少于10組，記錄當前環(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洞管道軸線的偏角為5°、10°、15°、20°、25°，分別重復實驗步驟2)、3),得到皮托管在不同偏角下的風速測量值。

上述實驗中，為減小對皮托管測量風速的影響，風洞工作段中不安裝被檢風速表；皮托管頭部與風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為皮托管測量的風速均值與皮托管頭部相對于風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速均值

圖3 風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)當皮托管頭部與風洞管道軸線之間的偏角約為15°時，皮托管測得最大風速值18.26m/s，偏角大于20°時，測量的風速值急劇減??；2)皮托管頭部與風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速值18.01m/s；3)經(jīng)計算得到，皮托管頭部與風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型風洞中，當皮托管頭部平行于風洞管道軸線時，皮托管測得的風速值偏小，則此時皮托管總壓孔并沒有對準實際氣流來向。而當皮托管頭部偏離風洞管道軸線15°時，皮托管測得的風速值最大，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雜。流體的流線從進入工作段之后開始趨于平行(平行于風洞管道軸線)。該流線流速云圖亦可較好地解釋風洞的收縮段與工作段之間，流體的流向與風洞管道軸線存在一定夾角，當皮托管偏離風洞管道軸線一定的角度可測得更接近于實際風速的量值。

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型風洞中，使用皮托管作為風速測量的標準器，應使皮托管頭部偏離風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型輕便三杯風向風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《輕便三杯風向風速表檢定規(guī)程》。風速表的安裝方式見圖1。風速表的示值檢定結(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洞管道軸線15°時對DEM6型輕便三杯風向風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速與指示風速之間的關(guān)系：

y=0.968x+0.28

式中：y為實測風速即由皮托管測得的風速；x為風速表指示風速。

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

y=0.958x+0.30

校準曲線Ⅱ中實測風速和指示風速的相對誤差明顯大于校準曲線Ⅰ中實測風速和指示風速的相對誤差。以上校準曲線表明當皮托管偏離風洞管道軸線15°時，皮托管測量的風速值與風速表的示值更接近，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輕便三杯風向風速表檢定規(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洞系統(tǒng)設(shè)計.中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫[C].2013：40-52

[4] 朱愛民.流體力學基礎(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)學報，2007，20(3)：692

[6] 王帥.直流式低速風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