高空台圆转矩形空气流量管的气动设计

2010-05-07马前容

燃气涡轮试验与研究 2010年1期

庄欢，郭昕，马前容

(中国燃气涡轮研究院，四川江油 621703)

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]。圆转矩形流量管一般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。

图1 T-134风洞喷管结构简图Fig.1 The nozzle structure of the wind tunnel

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。

图2 圆转矩形流量管在高空舱内的布局Fig.2 The disposition of the round to rectangle air meter in the Simulated Altitude Test Facility

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)要根据流量管流场品质、流量测量及结构匹配等要求，通过数值计算进行优化。计算控制体以稳压箱等直段前3.30D处为进口，以矩形管后4.50D处为出口。

图3 流量管几何模型Fig.3 The geometric model of the air meter

流量管导流段采用四面体网格进行划分，其余部分采用六面体网格划分。内壁面附近划分12层附面层网格，网格高度比率为1.15，网格单元总数为404019，网格单元扭曲度不大于0.749。流量管y=0截面导流段和转接段网格划分如图4所示。

图4 y=0截面导流段和转接段网格划分Fig.4 The mesh partition of the fair current segment and transferring segment at y=0

3.2 计算方法与边界条件

本文应用商用软件Fluent6.3进行计算，计算中基于N-S方程采用三维稳态隐式求解器，离散方法为二阶迎风格式，压力-速度耦合采用SIMPLE算法，湍流模型选RNG k-ε模型。速度和k、ε的收敛精度都达到10-4，温度收敛精度达到10-6。

流量管出口采用压力边界，出口静压值和总温值根据冲压发动机试验点设置；流量管入口采用压力边界。初始计算时，根据发动机试验点估算一个进口总压值，通过迭代计算对进口总压值进行修正。

3.3 计算结果与分析

流量管总长由于高空舱布局限制不能超过6.35D，流量管进口为φ=5.45D的圆，出口为L×D的矩形；圆管内马赫数(Ma)为0.3；转接段由φ=D的圆过渡到L×D的矩形，三维型面采用商用软件UG进行造型设计，圆转矩形分别选取V向1阶、V向3阶、V向20阶曲线过渡。数值结果表明，按V向3阶曲线过渡的型面其流场品质最高，其次是V向20阶，再其次是V向1阶。同一V向阶次下，转接段长度越长，流场品质越好，圆转矩形型面如图5所示；导流段曲率半径分别选取0.10D、0.50D、1.00D，数值结果表明，在没有导角或曲率半径较低的情况下，气流在圆管进口发生流动分离并导致转接段流动分离，发动机进口流场极不均匀。导流段曲率半径越大，导流效果越好，但考虑到加工难度和费用等问题，本文选取导流段曲率半径为0.50D；对于流量管各部分长度，数值结果表明，其长度越长越有利于空气流动的发展，流量管出口流场越均匀，但考虑到流量管总长限制，本文最终选取的流量管几何尺寸如下：导流段长0.43D，曲率半径0.50D；圆管长1.36D；转接段长2.27D；矩形管长2.27D；流量管总长为6.33D。优化后的流量管几何模型如图3所示。

图5 圆转矩形型面设计图Fig.5 The design drawing of the round to rectangle surface

图6、图7分别为y=0截面静压等值线分布和马赫数等值线分布。从图中看，气流在导流段壁面附近加速减压，形成小的低压区，经圆形等直段充分发展后静压和马赫数分布较均匀。图8为y=0截面导流段和转接段速度矢量分布。从图中看出，导流段和转接段流场品质较好，没有发生流动分离，附面层从导流段开始发展，到转接段后发展得比较明显。图9为矩形管进出口截面马赫数等值线分布。从图中看，进口截面由于前面圆转矩形影响，在四个直角处存在小的旋涡，整个截面马赫数分布不均匀，经矩形等直段充分发展以后，在出口截面四个直角处的旋涡已消失，整个截面马赫数分布较均匀，最大马赫数0.198，最小马赫数0.053，面积加权平均马赫数0.149。转接段中心流马赫数沿程分布见图10，图中可见，中心流马赫数由0.315减小到0.225，y=0截面壁面附近马赫数由0.161减小到0.013，气流经转接段后平均马赫数从0.306减小到0.155。整个流量管流场品质较好，总压恢复系数为98.3%，出口流场较均匀，圆形等直段马赫数在0.3左右，满足流量管空气流量测量要求。

图6 y=0截面静压等值线分布Fig.6 The distribution of static pressure isolines at y=0

图7 y=0截面马赫数等值线分布Fig.7 The distribution of Mach number isolines at y=0

图8 y=0截面导流段和转接段速度矢量分布Fig.8 The velocity vector distribution of the fair current segment and transferring segment at y=0

图9 矩形管进口、出口截面马赫数等值线分布Fig.9 The distribution of the Mach number isolines in the inlet and outlet of the rectangle tube

图10 转接段中心流马赫数沿程分布Fig.10 The Mach number distribution of the center flow in the transferring segment

文中圆管任一等x截面静压不均匀度定义为：KD2=(Pav-Pwall)/Pav。其中，Pav为等x截面平均静压，Pwall为壁面静压。取d/D=0.5～1.0(d为截面到圆管进口的距离)、间距0.1的6个截面进行分析，不均匀度随位置变化的关系如图11所示，流量管空气流量测量截面可安装在圆管d/D=0.6～0.8截面处，静压不均匀度为 6.3×10-5～7.8×10-5。