皮托管

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P_φ。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，才能计算流速。

1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*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。

利用空速管测得的静压还可以制成"升降速度表"，即测量飞机高度变化快慢（爬升率）。表内也有一个膜盒，不过膜盒内的压力不是根据空速管测得的动压而是通过专门一根在出口处开有一小孔的管子测得的。这根管子上的小孔大小是特别设计的，用来限制膜盒内气压变化的快慢。如果飞机上升很快，膜盒内的气压受小孔的制约不能很快下降，而膜盒外的气压由于有直通空速管上的静压孔，可以很快达到相当于外面大气的压力，于是膜盒鼓起来。测量膜盒的变形大小即可算出飞机上升的快慢。飞机下降时，情况正相反。膜盒外压力急速增加，而膜盒内的气压只能缓慢升高，于是膜盒下陷，带动指针，显示负爬升率，即下降速率。飞机平飞后，膜盒内外气压逐渐相等，膜盒恢复正常形状，升降速度表指示为零。

空速管测量出来的速度并非是飞机真正相对于地面的速度，而只是相对于大气的速度，所以称为空速。如果有风，飞机相对地面的速度（称地速）还应加上风速（顺风飞行）或减去风速（逆风飞行）。另外空速管测速原理利用到动压，而动压和大气密度有关。同样的相对气流速度，如果大气密度低，动压便小，空速表中的膜盒变形就小。所以相同的空速，在高空指示值比在低空小。这种空速一般称为"表速"。现代的空速表上都有两根指针，一根比较细，一根比较宽。宽的指针指示"表速"，而细的一根指示的是经过各种修正的相当于地面大气压力时的空速，称为 "实速"。

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。

2参考文献

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．