長期以來为猩，傳統的建模方式和無法實現復雜幾何形狀的制造工藝判哥，制約著熱交換器設計與效率的突破遥倦，而面向增材制造的高性能復雜幾何結構谤绳，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袒哥。

3D科學谷曾分享過一個增材制造飛機燃油滑油熱交換器（FCOC）的設計案例缩筛。本期，3D科學谷將與谷友繼續(xù)探討這一案例堡称，但今天的側重點是這一3D打印飛機燃油滑油熱交換器的設計過程瞎抛，以及此過程中體現的通過先進設計和增材制造提高FCOC熱交換器性能的全新可能性。

設計過程涵蓋三個步驟：原始的CAD設計却紧，nTOP 平臺中的設計桐臊，通過ANSYS CFX 進行流體力學仿真分析（CFD）。

▲圖1 三重周期性最小表面高性能熱交換器晓殊，用于航空渦輪發(fā)動機

來源：nTopology

飛機發(fā)動機通過燃燒燃料獲得強大的推力断凶，在燃燒過程中產生大量需要消散的熱量。在現代飛機中巫俺，燃油會在機翼中停留认烁，并因此而變?yōu)榈蜏厝剂稀Ｔ陲w機機翼中被冷卻的燃油將可能產生結晶從而阻塞系統柿癞，但這些冷卻的燃料也為調節(jié)飛機燃燒室来鸟、機械和電氣系統的溫度提供了一種途徑。通過燃油滑油熱交換器（FCOC）在機油和燃料之間傳遞熱能哩讶，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

解鎖先進航空熱交換器

設計與仿真

在FCOC 新一代高性能熱交換器的設計項目中甲祖，要求是通過增材制造熱交換器替換傳統管殼式熱交換器，并研究是否可以使用先進設計和增材制造來提高這種熱交換器的性能誊配。

▲圖2 管殼式熱交換器

來源：nTopology

l 在有限空間中提高熱性能

設計師需要在給定的有限空間中進行設計優(yōu)化鞍伟，一種有效的辦法是使用高級幾何圖形，以數學方式精確地控制此設計空間內部的幾何圖形柱称。在FCOC 項目中盘挠，設計師使用nTOP 平臺定義了一個體積饼簸，用于FCOC 的設計迭代臼磁，迭代方式是在實現表面積最大化的同時實現壁厚最小化遗挚。

在本案例研究中使用了三重周期最小表面（TPMS），它既具有高強度重量比吊磕，又具有非常高的表面積質量比勃犬。螺旋(gyroid) 是一種TPMS，可用于定義內部體積挎狸。通過在這種熱交換器中使用螺旋結構扣汪，與更相同尺寸的傳統管殼式熱交換器相比，該螺旋結構的表面積增加了146％锨匆。

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

當這一設計與增材制造技術相結合時崭别，將能夠實現以往無法實現的具有高強度和散熱要求的零件。

為實現最小壁厚恐锣，設計師選擇專為增材制造開發(fā)的高強度7000系列鋁合金（7A77.60L）作為熱交換器制造材料茅主，由此，FCOC的壁厚得以最小化土榴，同時仍能滿足飛機的臨界爆破壓力結構要求诀姚。7A77.60L 鋁合金的屈服強度幾乎是鑄造級增材制造鋁合金AlSi10Mg的兩倍，通過該材料制造的螺旋結構壁厚能夠減少為原來設計的一半玷禽。

表面積增加146%赫段，而壁厚減少一半，使得相同體積內的FCOC的總熱量傳遞相比傳統設計增加大約300％矢赁。

l 流體力學仿真預測增材制造熱交換器性能

ANSYS CFX 是一種先進的計算流體動力學求解器糯笙，被用于評估FCOC的性能。在整個設計迭代階段蹈瑟，使用了多次CFD仿真對設計進行評估夯铡。

設計師根據最初的仿真結果，對能量在螺旋管內部的分配方式進行優(yōu)化圾峭，從而使總傳熱系數增加12％嚎蛀。從nTop平臺到ICEM（用于網格細化和轉換）和ANSYS CFX 是一個可重復的工作流程，能夠幫助設計師快速設計迭代堤谴。

▲圖3 左：帶有油速流線的傳熱系數值缰畦；右：顯示了帶油速傳熱系數的燃料速度流線。

來源：nTopology

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

l 設計方法

接下來，我們來了解一下增材制造FCOC熱交換器的具體設計方法结闸。

圖4概述了將幾何圖形從nTop 平臺轉換為所選CFD工具的過程唇兑。該過程是由用戶隔離熱交換器的流體域，并在nTop 平臺中生成這些流體域的體積網格來定義的桦锄， 然后將這些流體體積網格導入CFD工具扎附，應用適當的邊界條件，再進行流體模擬结耀。

▲圖4 從nTop 平臺到CFD所需的流程

來源：nTopology

在進入nTop 平臺之前留夜，FCOC的初始設計概念在紙上以及計算機輔助設計（CAD）中經歷了多次設計迭代。主要設計考慮因素包括：最小化壓降图甜，增強流動特性碍粥，引入沖擊力以改善傳熱系數以及進行增材制造設計。

▲圖5 FCOC熱交換器的原始設計概念

來源：nTopology

圖5 顯示了冷具则、熱燃料在熱交換器中的流動方式即纲。熱油進入頂部管道（1），在藍色圓頂周圍移動博肋，進入螺旋結構（描繪為紅色圓柱體）低斋，進入內徑并從底部的管道（2）退出。冷燃料通過左下方的開口（3）進入刹震，撞擊出油管司逗，向上移動通過螺旋結構，撞擊在藍色圓頂上环自，然后離開右上角（4）改佛。

圖5中可見的CAD實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計TPMS結構的填充量辰襟。CAD軟件Cero中的工具用于生成熱交換器的外殼和圓頂結構遵奇。

l nTop 平臺中進行面向增材制造的設計

當在CAD 軟件Creo中最終確定邊界表示形式時，程序集將另存為單個實體赏赔，并將這些實體導入到nTop 平臺中杏恍。導入后，為了在nTop平臺中正確利用CAD幾何圖形雷倦，有必要將零件轉換為nTop隱式實體胆狐。

▲圖6 圓柱狀的螺旋結構

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nTop 平臺具有在圓柱坐標系中創(chuàng)建TPMS結構的獨特功能（如圖6所示）。這對于更廣泛的熱交換器設計以及特定的流體流動是有利的肺灭。

如圖6所示虱而，通過nTop 平臺可以改變周長筏餐、半徑和高度周期，晶胞和壁厚牡拇。設計人員可以定制螺旋結構的形狀以滿足性能要求魁瞪，例如作為表面積和橫截面流動面積。這種幾何控制還允許設計人員調整流體進入和排出的方式诅迷，以最大程度降低總壓降佩番，同時優(yōu)化熱交換器的系統級性能众旗。圖7-圖10顯示了如何調整晶胞大小罢杉、周長計數和高度周期，在整個熱交換器中實現平滑的流體通道贡歧。

▲從左到右依次為圖7,8,10

來源：nTopology

到了這一步滩租，設計師已將CAD幾何導入并轉換為nTop隱式實體，并生成了流體域利朵。下一步是為創(chuàng)建擋板或分流器律想，這個步驟是為了防止冷、熱兩種流體發(fā)生混合绍弟。

▲圖9 在設計過程中考慮了各種進氣口配置,從而最大化流量和可制造性霸碰。

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。這可能需要設計人員轉換額外的CAD實體（面郁表，邊匣描，頂點），并分配參數控制參數罕腿，做到隨著CAD幾何形狀的更改工作流是可重復的桶眠。一旦生成了相交的體積，只需選擇要阻止的合適流體即可看群。大部分相交體積是通過提取CAD曲面創(chuàng)建的沦煤，然后將其轉換為nTop隱式實體并進行加厚。其他相交的體積使用原始幾何塊生成新的幾何涯锅。使用的主要模塊是圓環(huán)寇祈，然后將其重新映射，以創(chuàng)建如圖9所示的拱形通道漱南，從而產生了一種對增材制造更友好的結構勋崇。

至此，擋板設計的過程已經完成蔗彤，有必要將新形成的熱交換器芯組裝到熱交換器組件上川梅。在此過程中，nTop 平臺可以在周期性的擋板結構和“實體”幾何體之間無縫地創(chuàng)建圓角然遏。

l 導入ANSYS CFX

本環(huán)節(jié)將對用于CFD仿真的離散化nTop 平臺實進行描述贫途。如先前在圖4中的描述吧彪，流體域和熱交換器壁已生成，現在需要的是生成這些區(qū)域的體積網格丢早。

▲圖11 nTop 平臺內部的網格劃分過程姨裸。

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在圖11中，左圖描述了用于創(chuàng)建和導出網格的模塊怨酝，中間部分是熱交換器內芯網格傀缩，右上方是帶有ANSYS Fluent作為格式選項的導出窗口。網格化完成后农猬，可以將體積網格導出為ANSYS Fluent網格（CFD網格文件類型可從nTop 平臺獲壬募琛），然后導入ICEM CFD*斤葱。

CFX和Fluent 都是很好的求解器慷垮，設計用戶可以根據要解決的物理類型進行選擇。例如帮廉，對于高馬赫數/超音速流徽榄，首選Fluent，而對渦輪機械和其他不可壓縮的流體仿真闲耿，可以首選CFX胰薪。為了設置和定義任何類型的計算分析，用戶必須應用邊界條件來選擇曲面减组，這些包括但不限于流體入口和出口面蓄士。

定義邊界面并轉換網格后，將每個流體域分別導入ANSYS CFX设连，可以識別定義的面椅豆，并可以輕松將其分配給其適當的邊界條件。在出口為0 kPa的情況下蛀蜀，燃料和機油的入口質量流率分別設置為0.45 kg / s和0.3 kg / s沽叠。

一旦建立了從nTop平臺到 CFD的工作流程，設計用戶就可以在整個設計迭代過程中繼續(xù)使用該流程报斗。來自nTop平臺的網格輸出可以在ICEM中識別為設計更新菊榨，然后可以將其重新導入并重復整個CFD工作流程。

l 總結

在增材制造飛機燃油滑油熱交換器（FCOC）設計與流體力學仿真案例中夫啊，已證明了對nTop 平臺中生成的復雜幾何圖形執(zhí)行CFD的總體可行性函卒。

nTop 平臺能夠創(chuàng)建復雜的幾何圖形（TPMS結構、流體體積撇眯、平滑的格-固過渡）报嵌，同時保持對幾何模型的完全控制，然后將幾何圖形導出到外部的仿真平臺進行驗證熊榛。在與外部CAE 工具集成的同時锚国，在單個工具中執(zhí)行此類復雜操作的能力是空前的腕巡，并且可以允許在復雜幾何圖形上實現快速的設計迭代。

（ 3D科學谷）

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