EDE14A2型风洞中皮托管安装方式对风速测量的影响*

林雪丽 秦平 李明君 王沛云 辛阿阿

(国家海洋局北海标准计量中心，青岛 266033)



EDE14A2型风洞中皮托管安装方式对风速测量的影响*

林雪丽 秦平 李明君 王沛云 辛阿阿

(国家海洋局北海标准计量中心，青岛 266033)

EDE14A2型风洞中皮托管的安装方式对风速测量的准确度存在影响。在对该风洞进行一系列的性能测试时发现，皮托管头部平行于风洞管道轴线时，皮托管测得的风速值明显小于皮托管头部偏离风洞管道轴线一定角度时测得的风速值。本文通过理论分析与实验验证，提出对提高EDE14A2型风洞在风速计量工作中提高风速测量准确度的方法。

EDE14A2型风洞；皮托管；偏角；风速测量

0 引言

EDE14A2型风洞是小型直流、低速风洞，具有流场流速均匀性、稳定性好，噪音较低，操作简便等优点。皮托管具有制造简单，操作使用方便，准确度高等优点。使用皮托管测量流速目前仍是最经典与广泛的方法。本文中EDE14A2型风洞的工作段，采用皮托管作为风速测量的标准器。

JJG 431—2014《轻便三杯风向风速表检定规程》对皮托管在风洞工作段中的安装要求为：皮托管总压孔应对准“气流来向”[1];国际标准ISO 3966—2008对皮托管在管道中的安装要求为：皮托管头的轴线应平行于管道轴线[2]。实际风速测量中，我们通过目测皮托管头部平行于风洞管道轴线，作为皮托管总压孔对准气流来向的标准。

EDE14A2型风洞中，皮托管测量风速的断面位于风洞工作段前端靠近收缩段的位置。实际工作中我们发现皮托管在这种安装方式下进行风速表的检定、校准工作时，被检风速表的检定或校准结果其误差多为正值。由此设想皮托管测得的风速值有可能小于实际风速。导致皮托管测得的风速小于实际风速的原因可能是皮托管头部平行于风洞管道轴线时，总压孔并没有有效对准气流来向，因此测得的实际风速偏小。本文将通过实验过程，验证皮托管在此处的风速测量情况。

1 实验部分

1.1 实验原理

(1)

式中：U为风速，单位m/s；p2为动压，Pa；p1为静压，Pa；Δp为差压值，在本文中由补偿式微压计读取，Pa；ρ为流体密度，kg/m3。

1.2 实验设备

1.2.1 设备名称

本文所述实验中使用的设备为风速表检定装置。风速表检定装置标准器：二等标准皮托管、二等标准补偿式微压计；风速表检定装置辅助设备：EDE14A2型风洞、温度表、湿度表、气压表。

1.2.2 主要设备参数及示意图

EDE14A2型风洞长3080mm，稳定段截面为圆形，稳定段尺寸(Φ540×520)mm，工作段截面为圆形，工作段尺寸(Φ240×380)mm。

皮托管在EDE14A2型风洞工作段内的基本安装方式如图1所示，皮托管的剖面图如图2所示。

图1 EDE14A2型风洞中皮托管安装位置示意图

图2 皮托管剖面图

1.3 实验步骤

设计实验步骤如下：1)调整皮托管头部平行于风洞管道轴线，即皮托管相对于管道轴线的偏角为0°；2)设置风机频率为30Hz；3)使用皮托管测量风速，记录实验数据不少于10组，记录当前环境下的温度、湿度、气压值；4)依次调整皮托管头部相对于风洞管道轴线的偏角为5°、10°、15°、20°、25°，分别重复实验步骤2)、3),得到皮托管在不同偏角下的风速测量值。

上述实验中，为减小对皮托管测量风速的影响，风洞工作段中不安装被检风速表；皮托管头部与风洞管道轴线之间的偏角，指水平方向调整皮托管头部与风洞管道轴线之间的偏角。

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

(1)根据场地钻探揭露情况及设计建筑物功能，在地基主要受力层范围内，存在溶洞、溶槽、岩溶漏斗等，在附加荷载或振动荷载作用下，可能出现溶洞顶板坍塌，使地基突然下沉。

根据实验方案得到的结果见表1，图2为皮托管测量的风速均值与皮托管头部相对于风洞管道轴线偏角的变化曲线。

表1 皮托管在不同偏角下测得的风速均值

图3 风速均值随皮托管偏角的变化曲线

2.2 结果分析

对上述实验结果的分析如下：1)当皮托管头部与风洞管道轴线之间的偏角约为15°时，皮托管测得最大风速值18.26m/s，偏角大于20°时，测量的风速值急剧减小；2)皮托管头部与风洞管道轴线之间的偏角在(0～20)°范围内，偏角为0°时皮托管测得最小风速值18.01m/s；3)经计算得到，皮托管头部与风洞管道轴线的偏角在(0～20)°范围内变化时，皮托管测得的风速最大值与最小值的相对误差为1.4%。

2.3 小结与分析

上述实验结果表明在EDE14A2型风洞中，当皮托管头部平行于风洞管道轴线时，皮托管测得的风速值偏小，则此时皮托管总压孔并没有对准实际气流来向。而当皮托管头部偏离风洞管道轴线15°时，皮托管测得的风速值最大，则此时皮托管总压孔在更大程度上对准了气流来向。

图4[3]是几种不同的风洞收缩段流体流线和速度云图。由图4中的(a)、(b)、(c)可以看出收缩段和工作段之间的速度分布比较复杂。流体的流线从进入工作段之后开始趋于平行(平行于风洞管道轴线)。该流线流速云图亦可较好地解释风洞的收缩段与工作段之间，流体的流向与风洞管道轴线存在一定夹角，当皮托管偏离风洞管道轴线一定的角度可测得更接近于实际风速的量值。

图4 收缩段流线与速度云图

3 结论与验证

3.1 结论

在EDE14A2型风洞中，使用皮托管作为风速测量的标准器，应使皮托管头部偏离风洞管道轴线一定的角度，方能使皮托管总压孔有效对准气流来向。该角度的确定可以通过实验获得(参照本文的1.3)。

3.2 验证

为验证以上结论，对一支DEM6型轻便三杯风向风速表进行皮托管两种不同偏角下的示值检定。检定依据为JJG 431—2014《轻便三杯风向风速表检定规程》。风速表的安装方式见图1。风速表的示值检定结果见图5、图6。

图5 校准曲线Ⅰ

图6 校准曲线Ⅱ

图5为皮托管头部偏离风洞管道轴线15°时对DEM6型轻便三杯风向风速表进行示值检定得到的校准曲线Ⅰ。用一次线性方程表示实测风速与指示风速之间的关系：

y=0.968x+0.28

式中：y为实测风速即由皮托管测得的风速；x为风速表指示风速。

图6为皮托管头部平行于风洞管道轴线时对DEM6型轻便三杯风向风速表进行示值检定时得到的校准曲线Ⅱ。实测风速与指示风速的关系式为：

y=0.958x+0.30

校准曲线Ⅱ中实测风速和指示风速的相对误差明显大于校准曲线Ⅰ中实测风速和指示风速的相对误差。以上校准曲线表明当皮托管偏离风洞管道轴线15°时，皮托管测量的风速值与风速表的示值更接近，较好地验证了本文的结论。

[1] 罗昶,李晖,倪永胜，王建森.JJG 431—2014轻便三杯风向风速表检定规程 [S]

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

[3] 刘子娟.主动控制湍流模拟风洞系统设计.中国优秀硕士学位论文全文数据库[C].2013：40-52

[4] 朱爱民.流体力学基础[M].中国计量出版社,2004：73-77

[5] 孙志强.皮托管测量影响因素分析I.检测杆与安装角的影响[J].传感技术学报，2007，20(3)：692

[6] 王帅.直流式低速风洞收缩段收缩曲线的仿真分析[J].机床与液压，2012，40(11)：101-103

国家海洋局北海分局青年基金(2014B03)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.05