3D打印螺旋結構、高強度材料、流體力學仿真，合力突破熱交換器的設計與效率
長期以來，傳統的建模方式和無法實現復雜幾何形狀的制造工藝，制約著熱交換器設計與效率的突破，而面向增材制造的高性能復雜幾何結構，以及高強度鋁合金3D打印材料，為熱交換器設計的突破帶來了新的可能性。本期，將分享一個3D打印飛機燃油滑油熱交換器（FCOC）的設計案例，這一熱交換器集成了螺旋內部結構，制造材料為高強度3D打印鋁合金材料7A77.60L，其表面積增加了146％，壁厚減少50％，傳熱率提高300％，在設計和效率方面實現了突破。
3D打印FCOC熱交換器的內表面。來源：Ansys
面向增材制造的設計，提升熱交換器性能
飛機機翼中冷卻的燃油，將可能產生結晶從而阻塞系統，但這些冷卻的燃料也為調節飛機燃燒室、機械和電氣系統的溫度提供了一種方法。通過燃油滑油熱交換器（FCOC）在機油和燃料之間傳遞熱能，將能夠起到以下作用：
- 使機油冷卻到足以潤滑和冷卻系統
- 防止燃料結晶
- 使燃油接近點火溫度
FCOC熱交換器需要滿足嚴格的尺寸，形狀和重量限制才能適合飛機的配置，因此這類熱交換器的設計優化是具有挑戰的，在設計時受限于最大化內壁的表面積和內壁厚度等因素。通常，FCOC熱交換器是相對而言易于設計與制造的管殼式熱交換器。而借助金屬增材制造-3D打印技術，拓撲優化和計算流體力學（CFD）仿真技術，能夠設計與制造出以往無法生產的熱交換器。
3D打印FCOC熱交換器原型。來源：Ansys
通過圖片可以看到，3D打印熱交換器的內部表面是一種螺旋(gyroid)結構。在這一案例中，設計師使用nTop Platform 軟件，獲得最大化的表面積/重量比，使用三維周期性極小化曲面（TPMS）結構生成燃油滑油熱交換器的內部。
螺旋(gyroid) 是一種TPMS，可用于定義內部體積，該內部表面積增加了146%，強度也得到了提升，同時使質量最小化。采用這種高性能幾何結構，熱交換器的傳熱率提高300％。這種帶有螺旋內部結構的熱交換器是無法使用傳統技術實現的，但是金屬3D打印技術能夠制造這類復雜結構的熱交換器。
為了實現薄壁結構，設計師嘗試使用了一種高強度3D打印鋁合金。這種材料是HRL實驗室開發的7A77.60L鋁粉，成型后的材料無裂紋、等軸（即晶粒在長度、寬度和高度上大致相等），實現了細晶粒微觀結構，并與鍛造材料具有相當的材料強度，3D打印的鋁合金材料平均屈服強度高達580 MPa，極限強度超過600 MPa，平均伸長率超過8％。也正是使用這一材料，使得燃油滑油熱交換器的壁厚減少了一半，同時又保持了飛機的關鍵結構要求，例如爆破壓力。
在熱交換器的設計迭代階段，設計師使用了Ansys計算流體力學軟件CFX 評估FCOC熱交換器設計的性能。設計師將nTop Platform和ANSYS CFX集成到自動化工作流程中，將熱交換器設計的性能進一步提高12％。
燃料區域內部的傳熱系數和油流的流線的等高線圖（左）。油域內部傳熱系數的輪廓圖和燃料流的流線圖（右）。來源：Ansys
在此案例中，為增材制造而設計的螺旋結構，高強度鋁合金打印材料和計算流體力學仿真分析技術的綜合運用，使得FCOC熱交換器的設計與效率的突破得以實現。
(責任編輯：admin)
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