三次周期最小曲面换热器设计技术应用

一、研究内容

      以三次周期最小曲面主要包含Gyroid，Diamond，Primitive三种典型曲面，基于增材制造工艺选择性激光融化(SLM, Selective Laser Melting)技术，从进出口压降，换热器比表面积，流体有效流通面积，并结合SLM工艺加工限制进行设计，最终得到整体换热器外轮廓构型。

(a) Primitive模型

(b) Ddiamond模型

(c) Gyroid模型

二、研究及优化方法

      首先基于给定所需的器件极限尺寸及进出口边界条件，评估曲面选型，对整体尺寸进行设计。根据进出口条件的落压比调整流体流通的有效面积，根据进出口温差确定换热器长度，整体尺寸大致确定，建立三维模型。

      建模之后对换热器结构进行全三维的计算流体力学数值模拟，得到流场内流动特征。通过流线图反应出整个流场属于震荡和旋转状态，该状态有助于流体粘性底层的分离与对数层融合，进而有助于换热效率。对流场内流固耦合换热所获得的数据进行分析，再通过静强度校核的结果对模型进一步优化。

      以Diamond模型一组分析结果为例，说明三次周期最小曲面换热器特点：

Ddiamond模型两侧流体Y向中截面温场图

标线位置为下图起点与方向

      (a) Y向流线图                                           (b) X向流线图                                      (c) Z向流线图

Ddiamond中X/Y/Z各方向流线图

Ddiamond模型两侧横截面速度分布图

三、新型结构优势

      目前三次周期最小曲面结构处于测试验证阶段，在减重和增大比表面积方面表现较为良好，并且换热器并不规定绝对的外轮廓结构，可以适用于任意轮廓尺寸内。