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(tǒng)換熱器在優(yōu)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(tǒng)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(fā)展，增材制技術造突破了傳統(tǒng)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(tǒng)和血管系統(tǒng)，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(tǒng)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(qū)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(tài)。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(chuàng)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(yōu)化
拓撲優(yōu)化是用數學的方法對給定區(qū)域內的材料進行分布優(yōu)，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(yōu)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(yōu)的最終方案通常外形結構非常復雜，傳統(tǒng)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(yōu)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(yōu)化結合使用，拓撲優(yōu)化設計性能最優(yōu)的散熱流道，增材制造完成最終方案的生產。
流道拓撲優(yōu)化
TPMS胞元結構設計
三周期極小區(qū)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(qū)域，三維空間被TPMS分成兩個分離的連續(xù)區(qū)域，每一個區(qū)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(qū)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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