長(zhǎng)期以來，傳統(tǒng)的建模方式和無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀的制造工藝，制約著熱交換器設(shè)計(jì)與效率的突破，而面向增材制造的高性能復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，以及高強(qiáng)度鋁合金3D打印材料，為熱交換器設(shè)計(jì)的突破帶來了新的可能性。

3D科學(xué)谷曾分享過一個(gè)增材制造飛機(jī)燃油滑油熱交換器（FCOC）的設(shè)計(jì)案例。本期，3D科學(xué)谷將與谷友繼續(xù)探討這一案例，但今天的側(cè)重點(diǎn)是這一3D打印飛機(jī)燃油滑油熱交換器的設(shè)計(jì)過程，以及此過程中體現(xiàn)的通過先進(jìn)設(shè)計(jì)和增材制造提高FCOC熱交換器性能的全新可能性。

設(shè)計(jì)過程涵蓋三個(gè)步驟：原始的CAD設(shè)計(jì)，nTOP 平臺(tái)中的設(shè)計(jì)，通過ANSYS CFX 進(jìn)行流體力學(xué)仿真分析（CFD）。

圖1 三重周期性最小表面高性能熱交換器，用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。來源：nTopology

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)通過燃燒燃料獲得強(qiáng)大的推力，在燃燒過程中產(chǎn)生大量需要消散的熱量。在現(xiàn)代飛機(jī)中，燃油會(huì)在機(jī)翼中停留，并因此而變?yōu)榈蜏厝剂?。在飛機(jī)機(jī)翼中被冷卻的燃油將可能產(chǎn)生結(jié)晶從而阻塞系統(tǒng)，但這些冷卻的燃料也為調(diào)節(jié)飛機(jī)燃燒室、機(jī)械和電氣系統(tǒng)的溫度提供了一種途徑。通過燃油滑油熱交換器（FCOC）在機(jī)油和燃料之間傳遞熱能，將能夠起到以下作用：

*使機(jī)油冷卻到足以潤滑和冷卻系統(tǒng)

*防止燃料結(jié)晶

*使燃油接近點(diǎn)火溫度

解鎖先進(jìn)航空熱交換器設(shè)計(jì)與仿真

在FCOC 新一代高性能熱交換器的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，要求是通過增材制造熱交換器替換傳統(tǒng)管殼式熱交換器，并研究是否可以使用先進(jìn)設(shè)計(jì)和增材制造來提高這種熱交換器的性能。

圖2 管殼式熱交換器。來源：nTopology

l 在有限空間中提高熱性能

設(shè)計(jì)師需要在給定的有限空間中進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，一種有效的辦法是使用高級(jí)幾何圖形，以數(shù)學(xué)方式精確地控制此設(shè)計(jì)空間內(nèi)部的幾何圖形。在FCOC 項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)師使用nTOP 平臺(tái)定義了一個(gè)體積，用于FCOC 的設(shè)計(jì)迭代，迭代方式是在實(shí)現(xiàn)表面積最大化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)壁厚最小化。

在本案例研究中使用了三重周期最小表面（TPMS），它既具有高強(qiáng)度重量比，又具有非常高的表面積質(zhì)量比。螺旋(gyroid) 是一種TPMS，可用于定義內(nèi)部體積。通過在這種熱交換器中使用螺旋結(jié)構(gòu)，與更相同尺寸的傳統(tǒng)管殼式熱交換器相比，該螺旋結(jié)構(gòu)的表面積增加了146％。

Gyroid = S in(x)Cos(y) + S in(y)Cos(z) + S in(z)Cos(x)

當(dāng)這一設(shè)計(jì)與增材制造技術(shù)相結(jié)合時(shí)，將能夠?qū)崿F(xiàn)以往無法實(shí)現(xiàn)的具有高強(qiáng)度和散熱要求的零件。

為實(shí)現(xiàn)最小壁厚，設(shè)計(jì)師選擇專為增材制造開發(fā)的高強(qiáng)度7000系列鋁合金（7A77.60L）作為熱交換器制造材料，由此，F(xiàn)COC的壁厚得以最小化，同時(shí)仍能滿足飛機(jī)的臨界爆破壓力結(jié)構(gòu)要求。7A77.60L 鋁合金的屈服強(qiáng)度幾乎是鑄造級(jí)增材制造鋁合金AlSi10Mg的兩倍，通過該材料制造的螺旋結(jié)構(gòu)壁厚能夠減少為原來設(shè)計(jì)的一半。

表面積增加146%，而壁厚減少一半，使得相同體積內(nèi)的FCOC的總熱量傳遞相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)增加大約300％。

l 流體力學(xué)仿真預(yù)測(cè)增材制造熱交換器性能

ANSYS CFX 是一種先進(jìn)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)求解器，被用于評(píng)估FCOC的性能。在整個(gè)設(shè)計(jì)迭代階段，使用了多次CFD仿真對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。

設(shè)計(jì)師根據(jù)最初的仿真結(jié)果，對(duì)能量在螺旋管內(nèi)部的分配方式進(jìn)行優(yōu)化，從而使總傳熱系數(shù)增加12％。從nTop平臺(tái)到ICEM（用于網(wǎng)格細(xì)化和轉(zhuǎn)換）和ANSYS CFX 是一個(gè)可重復(fù)的工作流程，能夠幫助設(shè)計(jì)師快速設(shè)計(jì)迭代。

圖3 左：帶有油速流線的傳熱系數(shù)值；右：顯示了帶油速傳熱系數(shù)的燃料速度流線。來源：nTopology 

圖3 顯示的仿真分析中，分別使用質(zhì)量流量約為0.45 kg / s和0.3 kg / s的燃料和油液特性以及邊界條件。左圖顯示了燃料域內(nèi)部傳熱系數(shù)的等高線圖，同時(shí)顯示了油的流線。右圖描繪了油域內(nèi)部的傳熱系數(shù)的輪廓圖，其中燃料流線移動(dòng)通過了螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋內(nèi)芯的高度僅約100mm（3.9英寸），直徑僅為60mm（2.4英寸），整體性能為3KW（10,200 Btu / Hr）。

l 設(shè)計(jì)方法

接下來，我們來了解一下增材制造FCOC熱交換器的具體設(shè)計(jì)方法。

圖4概述了將幾何圖形從nTop 平臺(tái)轉(zhuǎn)換為所選CFD工具的過程。該過程是由用戶隔離熱交換器的流體域，并在nTop 平臺(tái)中生成這些流體域的體積網(wǎng)格來定義的， 然后將這些流體體積網(wǎng)格導(dǎo)入CFD工具，應(yīng)用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，再進(jìn)行流體模擬。

圖4 從nTop 平臺(tái)到CFD所需的流程。來源：nTopology

在進(jìn)入nTop 平臺(tái)之前，F(xiàn)COC的初始設(shè)計(jì)概念在紙上以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）中經(jīng)歷了多次設(shè)計(jì)迭代。主要設(shè)計(jì)考慮因素包括：最小化壓降，增強(qiáng)流動(dòng)特性，引入沖擊力以改善傳熱系數(shù)以及進(jìn)行增材制造設(shè)計(jì)。

圖5 FCOC熱交換器的原始設(shè)計(jì)概念。來源：nTopology

圖5 顯示了冷、熱燃料在熱交換器中的流動(dòng)方式。熱油進(jìn)入頂部管道（1），在藍(lán)色圓頂周圍移動(dòng)，進(jìn)入螺旋結(jié)構(gòu)（描繪為紅色圓柱體），進(jìn)入內(nèi)徑并從底部的管道（2）退出。冷燃料通過左下方的開口（3）進(jìn)入，撞擊出油管，向上移動(dòng)通過螺旋結(jié)構(gòu)，撞擊在藍(lán)色圓頂上，然后離開右上角（4）。

圖5中可見的CAD實(shí)體和表面用于定義熱交換器的體積。利用這些物體和表面來設(shè)計(jì)TPMS結(jié)構(gòu)的填充量。CAD軟件Cero中的工具用于生成熱交換器的外殼和圓頂結(jié)構(gòu)。

l nTop 平臺(tái)中進(jìn)行面向增材制造的設(shè)計(jì)

當(dāng)在CAD 軟件Creo中最終確定邊界表示形式時(shí)，程序集將另存為單個(gè)實(shí)體，并將這些實(shí)體導(dǎo)入到nTop 平臺(tái)中。導(dǎo)入后，為了在nTop平臺(tái)中正確利用CAD幾何圖形，有必要將零件轉(zhuǎn)換為nTop隱式實(shí)體。

圖6 圓柱狀的螺旋結(jié)構(gòu)。來源：nTopology

nTop 平臺(tái)具有在圓柱坐標(biāo)系中創(chuàng)建TPMS結(jié)構(gòu)的獨(dú)特功能（如圖6所示）。這對(duì)于更廣泛的熱交換器設(shè)計(jì)以及特定的流體流動(dòng)是有利的。

如圖6所示，通過nTop 平臺(tái)可以改變周長(zhǎng)、半徑和高度周期，晶胞和壁厚。設(shè)計(jì)人員可以定制螺旋結(jié)構(gòu)的形狀以滿足性能要求，例如作為表面積和橫截面流動(dòng)面積。這種幾何控制還允許設(shè)計(jì)人員調(diào)整流體進(jìn)入和排出的方式，以最大程度降低總壓降，同時(shí)優(yōu)化熱交換器的系統(tǒng)級(jí)性能。圖7-圖10顯示了如何調(diào)整晶胞大小、周長(zhǎng)計(jì)數(shù)和高度周期，在整個(gè)熱交換器中實(shí)現(xiàn)平滑的流體通道。

從左到右依次為圖7,8,10。來源：nTopology

到了這一步，設(shè)計(jì)師已將CAD幾何導(dǎo)入并轉(zhuǎn)換為nTop隱式實(shí)體，并生成了流體域。下一步是為創(chuàng)建擋板或分流器，這個(gè)步驟是為了防止冷、熱兩種流體發(fā)生混合。

圖9 在設(shè)計(jì)過程中考慮了各種進(jìn)氣口配置,從而最大化流量和可制造性。來源：nTopology

此步驟中的主要挑戰(zhàn)是生成用于與流體體積相交的體積。這可能需要設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)換額外的CAD實(shí)體（面，邊，頂點(diǎn)），并分配參數(shù)控制參數(shù)，做到隨著CAD幾何形狀的更改工作流是可重復(fù)的。一旦生成了相交的體積，只需選擇要阻止的合適流體即可。大部分相交體積是通過提取CAD曲面創(chuàng)建的，然后將其轉(zhuǎn)換為nTop隱式實(shí)體并進(jìn)行加厚。其他相交的體積使用原始幾何塊生成新的幾何。使用的主要模塊是圓環(huán)，然后將其重新映射，以創(chuàng)建如圖9所示的拱形通道，從而產(chǎn)生了一種對(duì)增材制造更友好的結(jié)構(gòu)。

至此，擋板設(shè)計(jì)的過程已經(jīng)完成，有必要將新形成的熱交換器芯組裝到熱交換器組件上。在此過程中，nTop 平臺(tái)可以在周期性的擋板結(jié)構(gòu)和“實(shí)體”幾何體之間無縫地創(chuàng)建圓角。

l 導(dǎo)入ANSYS CFX

本環(huán)節(jié)將對(duì)用于CFD仿真的離散化nTop 平臺(tái)實(shí)進(jìn)行描述。如先前在圖4中的描述，流體域和熱交換器壁已生成，現(xiàn)在需要的是生成這些區(qū)域的體積網(wǎng)格。

圖11 nTop 平臺(tái)內(nèi)部的網(wǎng)格劃分過程。來源：nTopology

在圖11中，左圖描述了用于創(chuàng)建和導(dǎo)出網(wǎng)格的模塊，中間部分是熱交換器內(nèi)芯網(wǎng)格，右上方是帶有ANSYS Fluent作為格式選項(xiàng)的導(dǎo)出窗口。網(wǎng)格化完成后，可以將體積網(wǎng)格導(dǎo)出為ANSYS Fluent網(wǎng)格（CFD網(wǎng)格文件類型可從nTop 平臺(tái)獲?。缓髮?dǎo)入ICEM CFD*。

CFX和Fluent 都是很好的求解器，設(shè)計(jì)用戶可以根據(jù)要解決的物理類型進(jìn)行選擇。例如，對(duì)于高馬赫數(shù)/超音速流，首選Fluent，而對(duì)渦輪機(jī)械和其他不可壓縮的流體仿真，可以首選CFX。為了設(shè)置和定義任何類型的計(jì)算分析，用戶必須應(yīng)用邊界條件來選擇曲面，這些包括但不限于流體入口和出口面。

定義邊界面并轉(zhuǎn)換網(wǎng)格后，將每個(gè)流體域分別導(dǎo)入ANSYS CFX，可以識(shí)別定義的面，并可以輕松將其分配給其適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。在出口為0 kPa的情況下，燃料和機(jī)油的入口質(zhì)量流率分別設(shè)置為0.45 kg / s和0.3 kg / s。

一旦建立了從nTop平臺(tái)到 CFD的工作流程，設(shè)計(jì)用戶就可以在整個(gè)設(shè)計(jì)迭代過程中繼續(xù)使用該流程。來自nTop平臺(tái)的網(wǎng)格輸出可以在ICEM中識(shí)別為設(shè)計(jì)更新，然后可以將其重新導(dǎo)入并重復(fù)整個(gè)CFD工作流程。

 總結(jié)

在增材制造飛機(jī)燃油滑油熱交換器（FCOC）設(shè)計(jì)與流體力學(xué)仿真案例中，已證明了對(duì)nTop 平臺(tái)中生成的復(fù)雜幾何圖形執(zhí)行CFD的總體可行性。

nTop 平臺(tái)能夠創(chuàng)建復(fù)雜的幾何圖形（TPMS結(jié)構(gòu)、流體體積、平滑的格-固過渡），同時(shí)保持對(duì)幾何模型的完全控制，然后將幾何圖形導(dǎo)出到外部的仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。在與外部CAE 工具集成的同時(shí)，在單個(gè)工具中執(zhí)行此類復(fù)雜操作的能力是空前的，并且可以允許在復(fù)雜幾何圖形上實(shí)現(xiàn)快速的設(shè)計(jì)迭代。

* ICEM CFD是ANSYS的模塊，用于網(wǎng)格細(xì)化，轉(zhuǎn)換和生成，作為邊界選擇工具。

參考資料：

“Unlocking Advanced Heat Exchanger Design and Simulation with nTop Platform and ANSYS CFX”

來源;3D科學(xué)谷