高空台圆转矩形空气流量管的气动设计

　　1引言

　　航空发动机进口空气流量是发动机试验中需要测定的一个重要性能参数。 而空气流量管就是用来在发动机试验中准确测量进口空气流量， 并保证发动机进口具有良好流场品质的试验设备[1]。 对于双纽线流量管，前人已经做了大量的研究;但对于圆转矩形流量管，国内外研究还较少[2]。 圆转矩形流量管一应用在大型超声速风洞中，例如 TsAGI 的625 mm×625 mm T-134 低温超声速风洞喷管就是一种圆转矩形流量管(结构见图 1)[3]，该风洞稳压室截面为圆形，试验段截面为直角矩形，喷管横截面形状从圆形转变成矩形， 该喷管可满足非轴对称试验件吹风试验的需求，并加速气流到临界声速[4]。 本文设计的圆转矩形空气流量管在结构上与 T-134 风洞喷管类似， 但在功用上不但要满足某型二元冲压发动机高空台连管试验[5]的需要，还要保证空气流量测量的准确性和发动机进口的流场品质。

　　2气动设计

　　2.1设计分析

　　流量管在高空舱内的布局如图 2 所示，其中，稳压箱截面为圆形，发动机进口截面为直角矩形，流量管横截面要从圆形过渡到矩形。与风洞喷管不同，为准确测量进入发动机的空气流量， 流量管必须在篦齿后设计一段圆形等直段， 应用常规测量总静压差的方法测量空气流量。 圆形等直段既要保证流量测量的准确性，又要降低圆转矩形型面设计的难度。稳压箱过渡到圆形等直段是个大圆过渡到小圆的过程，可以称之为导流段，空气在导流段从 10 m/s 加速到 120 m/s 左右， 如果导流段设计得不好会直接影响流量管的流场品质。本文通过数值计算发现，设计不合理的导流段会使空气在圆形等直段进口壁面附近形成旋涡，在圆转矩形段发生流动分离，导致发动机进口流场极不均匀。

　　2.2设计步骤

　　(1) 根据流量管在高空舱内的布局， 确定流量管的总长及进出口形状和尺寸;

　　(2) 根据空气流量测量要求和流量管矩形截面尺寸，确定圆形等直段内径;

　　(3) 通过数值计算， 确定一种流场品质最佳的圆转矩形型面;

　　(4) 通过数值计算，确定导流段型面、圆管长度和矩形管长度。

　　3数值计算

　　3.1几何模型与网格划分圆转矩形流量管几何模型如图 3 所示， 包括稳压箱收敛段、导流段、圆形等直段(简称圆管)、圆转矩形转接段(简称转接段)、矩形等直段(简称矩形管)五部分。 其中稳压箱收敛段型面已定，内径 5.45D(D为圆管内径)，收敛角 60°，其余部分参数(包括导流段型面、圆管内径和长度、转接段型面、矩形管长度)