威斯康星大學(xué)麥迪遜分校工程師利用 3D打印技術(shù)開發(fā)增強(qiáng)型熱交換器

2025年5月18日，南極熊獲悉，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的工程師團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化和增材制造開發(fā)了一種具有扭曲微流道結(jié)構(gòu)的高溫?zé)峤粨Q器，在傳熱、功率密度和效率方面均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的直通道設(shè)計(jì)。隨后，他們利用激光粉末床熔融金屬3D打印技術(shù)對(duì)這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

△機(jī)械工程系教授錢小平手持團(tuán)隊(duì)研發(fā)的3D打印拓?fù)鋬?yōu)化熱交換器。攝影：Joel Hallberg。

相關(guān)研究以題為“Topology optimization, additivemanufacturing and thermohydraulic testing of high-temperature heat exchangers”的論文發(fā)表在《國(guó)際傳熱傳質(zhì)雜志》上，錢教授課題組新近畢業(yè)的博士生孫思成是《國(guó)際傳熱傳質(zhì)雜志》論文的第一作者。其他合著者包括來(lái)自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Tiago Augusto Moreira、Behzad Rankouhi、Xinyi Yu和Ian Jentz。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126809

高溫?zé)峤粨Q器是許多散熱技術(shù)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于航空航天、發(fā)電、工業(yè)過(guò)程和航空領(lǐng)域。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程教授錢小平說(shuō)道：“傳統(tǒng)上，熱交換器通過(guò)直管來(lái)輸送熱流體和冷流體，主要是因?yàn)橹惫芤子谥圃?。但直管并不一定是冷熱流體之間傳熱的最佳幾何形狀。”

增材制造技術(shù)使研究人員能夠創(chuàng)建具有復(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)，從而生產(chǎn)出更高效的熱交換器。憑借這種設(shè)計(jì)自由，錢教授著手探索熱交換器內(nèi)部冷熱流體通道的設(shè)計(jì)，以最大限度地提高傳熱效率。

他充分利用了自己在拓?fù)鋬?yōu)化方面的專業(yè)知識(shí)，這是一種用于研究結(jié)構(gòu)中材料分布以實(shí)現(xiàn)特定設(shè)計(jì)目標(biāo)的計(jì)算設(shè)計(jì)方法。他還采用了一項(xiàng)名為“投影底切周長(zhǎng)”的專利技術(shù)，該技術(shù)將可制造性約束納入了整體設(shè)計(jì)。

△經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化的熱交換器芯體晶胞單元渲染圖。優(yōu)化設(shè)計(jì)包含具有復(fù)雜幾何形狀和表面特征的冷熱流體通道。圖片由錢小平提供。

有了優(yōu)化的設(shè)計(jì)后，錢教授與同事、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校材料科學(xué)與工程系教授丹·托馬(Dan Thoma)合作，使用一種名為激光粉末床熔融的金屬增材制造技術(shù)對(duì)熱交換器進(jìn)行 3D 打印。

從外觀上看，優(yōu)化后的換熱器與采用直通道設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)換熱器完全相同，但內(nèi)部核心設(shè)計(jì)卻截然不同。優(yōu)化設(shè)計(jì)中的冷熱流體通道相互交織，具有復(fù)雜的幾何形狀和表面特征。這些復(fù)雜的幾何特征引導(dǎo)流體沿扭曲路徑流動(dòng)，從而增強(qiáng)傳熱效果。

合作者、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程教授馬克·安德森對(duì)優(yōu)化后的換熱器和傳統(tǒng)換熱器進(jìn)行了熱工水力測(cè)試，以比較它們的性能。優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅傳熱效率更高，而且功率密度比傳統(tǒng)換熱器高出27%。更高的功率密度使換熱器更輕、更緊湊——這對(duì)于航空航天應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常有用。

△優(yōu)化換熱器的核心由拓?fù)鋬?yōu)化的單元構(gòu)成。優(yōu)化設(shè)計(jì)在傳熱、功率密度和效率方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的直通道設(shè)計(jì)。圖片由錢小平提供。

雖然之前的研究已經(jīng)使用拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)研究雙流體熱交換器設(shè)計(jì)，但錢說(shuō)這項(xiàng)工作是第一次利用拓?fù)鋬?yōu)化并施加可制造性約束以確保設(shè)計(jì)能夠被構(gòu)建和測(cè)試。

錢教授說(shuō)道：“在計(jì)算機(jī)上優(yōu)化設(shè)計(jì)是一回事，但實(shí)際制造和測(cè)試又是另一回事，”?！拔覀兊膬?yōu)化方法奏效了，這令人興奮。我們能夠?qū)嶋H制造出我們?cè)O(shè)計(jì)的熱交換器。而且，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，我們證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)的性能提升。三個(gè)研究小組的學(xué)生、博士后研究員和科學(xué)家的出色工作，使這一進(jìn)展成為可能?！?/div>

錢小平是機(jī)械工程系Elmer R. 和Janet Ambach Kaiser 教授。丹·托馬是材料科學(xué)與工程系教授。馬克·安德森是機(jī)械工程系綜合論文教授。研究人員通過(guò)威斯康星校友研究基金會(huì)為他們的投影底切周長(zhǎng)技術(shù)申請(qǐng)了專利。這項(xiàng)工作得到了 ARPA-E 撥款 DE-AR0001475 和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)撥款 1941206 的支持。