增材制造高性能換熱器的應用設計
換熱器最為一種熱量傳遞設備，廣泛用于航空航天、汽車、電力等諸多領域。傳統換熱器在優化方面已經做了大量工作，但在設計過程中受到幾何造型、材料和制造工藝的限制，通常整個組件是由管道或金屬板構成，必須考慮焊接、釬焊或螺栓連接等連接技術。
增材制造（AM）作為一種先進的制造技術，基于計算機輔助設計（CAD）的三維模型，遵循逐層制造過程，能夠制造非常復雜設計的換熱器。增材制造突破了換熱器的外形設計，由于不需要考慮傳統換熱器的進出口與換熱組件的連接工藝，異型進出口和應用全新設計理念的換熱組件隨之出現。
燃氣輪機-逆流熱交換器
歷經三十多年的發展，增材制技術造突破了傳統工藝和造型的限制，讓換熱器設計重心回歸自身功能本身，一些增材制造產品常用的設計技術同樣適用于高性能換熱器的設計。
仿生技術
仿生技術被認為適用于增材制造換熱器的路徑設計。自然界中存在許多換熱和傳質現象，比如呼吸系統和血管系統，它們歷經億萬年的進化，同時具備了高傳熱效率和低壓降損失。這些系統管路都存在分形結構，流道結構相互重復，是一種分配流量非常有效的方法。分形仿生技術常用來解決換熱器進口流量分布均勻性和降低流阻，有著較好的效果。
分形散熱器，m代表重復次數
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空間曲線填充
內壁面增加曲線狀波紋是一種有效提升換熱器換熱效率的設計方法。曲線波紋構造出全新的內部流動區域，使得換熱面積增大的同時在一定程度擾動了內部工質的流動狀態。FASS曲線使用一個簡單的邏輯定義，對圖形重復具有良好的，常用于內壁的曲線的波紋創建。FASS是一類通過網格的每個點而不相交的曲線，代表空間填充、自避免、簡單、自相似，具有分形行為，且每條線段都與整個曲線相似。
FASS 曲線四次迭代空間結構
拓撲優化
拓撲優化是用數學的方法對給定區域內的材料進行分布優，在約束條件下尋找材料最佳的分布方案。散熱器已經用拓撲優化尋找具有高傳熱效率和低壓降流路的幾何形狀。但是拓撲優的最終方案通常外形結構非常復雜，傳統的加工手段要么難以實現，要么實現成本過高，現實中更多的是依靠設計人員對拓撲結果二次設計，犧牲掉一些性能解決加工問題。增材制造的優勢之一就是在不增加成本的情況下生產復雜的幾何外形，因此它非常適合與拓撲優化結合使用，拓撲優化設計性能最優的散熱流道，增材制造完成最終方案的生產。
流道拓撲優化
TPMS胞元結構設計
三周期極小區域（TPMS）是一種平均曲率為零的隱式周期曲面，可以用數學函數精確地表示出來，表面非常光滑，沒有尖銳的邊緣或連接。相同的TPMS的胞元填充在換熱區域，三維空間被TPMS分成兩個分離的連續區域，每一個區域都可以被視為一種換熱流體，形成縱橫交錯又相互隔絕的兩個流體域。
TPMS胞元類型
D型胞元和G型胞元區域
G型胞元填充換熱空間
孔隙率，比體積能夠通過調整功能參數直接控制，不同的的孔隙率意味著可以調整TPMS孔隙率適用冷熱工質不同的流量，平衡兩側的壓降。光滑的表面、較大比體積、結構的完整性和良好的混合潛力使得TPMS成為高性能換熱器較為理想的內部熱流道，如下圖所示。
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