皮托管

十八世纪初亨利·皮托发明的测量压强的仪器

皮托管，又名“空速管”，“风速管”，英文是Pitot tube。皮托管是测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置，由法国H.皮托发明而得名。严格地说，皮托管仅测量气流总压，又名总压管；同时测量总压、静压的才称风速管，但习惯上多把风速管称作皮托管。

原理

皮托管是测量气流总压（见压力）的一种装置，是18世纪法国工程师H.皮托发明的，故名。用实验方法直接测量气流的速度比较困难，但气流的压力则可以用测压计方便地测出。它主要是用来测量飞机速度的，同时还兼具其他多种功能。因此，可用皮托管测量压力，再应用伯努利定理算出气流的速度。皮托管由一个圆头的双层套管组成（见图），外套管直径为D，在圆头中心O处开一与内套管相连的总压孔，联接测压计的一头，孔的直径为0.3～0.6D。在外套管侧表面距O约3～8D的C处沿周向均匀地开一排与外管壁垂直的静压孔，联接测压计另一头，将皮托管安放在欲测速度的定常气流中，使管轴与气流的方向一致，管子前缘对着来流。当气流接近O点处，其流速逐渐减低，流至O点滞止为零。所以O点测出的是总压Pφ。其次，由于管子很细,C点距O点充分远，因此C点处的速度和压力已经基本上恢复到同来流速度V∞和压力P∞相等的数值,因而在C点测出的是静压。对于低速流动（流体可近似地认为是不可压缩的）,由伯努利定理得确定流速的公式为：

根据测压计测出的总压和静压差P0-P∞，以及流体的密度ρ,可以按照式（1）求出气流的速度。

对于亚声速流动以下关系式成立：

式中Ma∞，c∞,T∞分别为来流的马赫数、声速和温度；γ为比热比；R为气体常数。通过测压计测出总压和静压，利用测温仪器测出来流的温度，于是流速V∞即可根据式（2）和式（3）求出。

对于超声速流动，在皮托管头部会产生离体激波（见激波），故以下关系成立：

式中p20是激波后驻点处的总压。进一步可求出流速V∞。

在高亚声速流动和超声速流动情形中，由于存在着多种干扰因素，利用静压孔测静压并不准确。这时常常改用其他方法测量静压。

由于测压孔有一定面积，也由于支杆干扰和制作上等原因，测压计测得的压差不会正好是P0-P∞,因此通常在式（1）的根号内乘上一个很接近于1的修正系数（在0.98～1.05之间）。值通过同标准皮托管作校正能求得。对于某些特殊类型的流动，如粘性起主要作用的低雷诺数流动和稀薄气体流动，必须对常规皮托管的计算公式进行适当的修正，才能精确计算流速。

应用

空速管是飞机上极为重要的测量工具。它的安装位置一定要在飞机外面气流较少受到飞机影响的区域，一般在机头正前方，垂尾或翼尖前方。同时为了保险起见，一架飞机通常安装2副以上空速管。有的飞机在机身两侧有2根小的空速管。美国隐身战斗机F-117在机头最前方安装了4根全向大气数据探管，因此该机不但可以测大气动压、静压，而且还可以测量飞机的侧滑角和迎角。有的飞机上的空速管外侧还装有几片小叶片，也可以起到类似作用；垂直安装的用来测量飞机侧滑角，水平安装的叶片可测量飞机迎角，为了防止空速管前端小孔在飞行中结冰堵塞，一般飞机上的空速管都有电加温装置。

空速管测量出来的静压还可以用来作为高度表的计算参数。如果膜盒完全密封，里面的压力始终保持相当于地面空气的压力。这样当飞机飞到空中，高度增加，空速管测得的静压下降，膜盒便会鼓起来，测量膜盒的变形即可测得飞机高度。这种高度表称为气压式高度表。

皮托管除了用来测量飞机速度，同时还兼具其他多种功能。在科研、生产、教学、环境保护以及隧道、矿井通风、能源管理部门，常用皮托管测量通风管道、工业管道、炉窑烟道内的气流速度，经过换算来确定流量，也可测量管道内的水流速度。用皮托管测速和确定流量，有可靠的理论根据，使用方便、准确，是一种经典的广泛的测量方法。此外，它还可用来测量流体的压力。

参考文献

1.词条作者：吴望一《中国大百科全书》74卷（第二版）物理学词条：流体力学：中国大百科全书出版社，2009-07：380页．

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