詳解航空燃油滑油3D打印熱交換器設計流程

魔猴君  行業(yè)資訊   1670天前

長期以來，傳統(tǒng)的建模方式和無法實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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。

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。本期，3D科學谷將與谷友繼續(xù)探討這一案例，但今天的側(cè)重點是這一3D打印飛機燃油滑油熱交換器的設計過程，以及此過程中體現(xiàn)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，nTOP 平臺中的設計，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，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，在燃燒過程中產(chǎn)生大量需要消散的熱量。在現(xiàn)代飛機中，燃油會在機翼中停留，并因此而變?yōu)榈蜏厝剂?。在飛機機翼中被冷卻的燃油將可能產(chǎn)生結(jié)晶從而阻塞系統(tǒng)，但這些冷卻的燃料也為調(diào)節(jié)飛機燃燒室、機械和電氣系統(tǒng)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，將能夠起到以下作用：

*使機油冷卻到足以潤滑和冷卻系統(tǒng)

*防止燃料結(jié)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，要求是通過增材制造熱交換器替換傳統(tǒng)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。

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，一種有效的辦法是使用高級幾何圖形，以數(shù)學方式精確地控制此設計空間內(nèi)部的幾何圖形。在FCOC 項目中，設計師使用nTOP 平臺定義了一個體積，用于FCOC 的設計迭代，迭代方式是在實現(xiàn)表面積最大化的同時實現(xiàn)壁厚最小化。

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，又具有非常高的表面積質(zhì)量比。螺旋(gyroid) 是一種TPMS，可用于定義內(nèi)部體積。通過在這種熱交換器中使用螺旋結(jié)構(gòu)，與更相同尺寸的傳統(tǒng)管殼式熱交換器相比，該螺旋結(jié)構(gòu)的表面積增加了146％。

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(shù)相結(jié)合時，將能夠?qū)崿F(xiàn)以往無法實現(xiàn)的具有高強度和散熱要求的零件。

為實現(xiàn)最小壁厚，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，由此，F(xiàn)COC的壁厚得以最小化，同時仍能滿足飛機的臨界爆破壓力結(jié)構(gòu)要求。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(jié)構(gòu)壁厚能夠減少為原來設計的一半。

表面積增加146%，而壁厚減少一半，使得相同體積內(nèi)的FCOC的總熱量傳遞相比傳統(tǒng)設計增加大約300％。

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，被用于評估FCOC的性能。在整個設計迭代階段，使用了多次CFD仿真對設計進行評估。

設計師根據(jù)最初的仿真結(jié)果，對能量在螺旋管內(nèi)部的分配方式進行優(yōu)化，從而使總傳熱系數(shù)增加12％。從nTop平臺到ICEM（用于網(wǎng)格細化和轉(zhuǎn)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。

圖3 左：帶有油速流線的傳熱系數(shù)值；右：顯示了帶油速傳熱系數(shù)的燃料速度流線。來源：nTopology 

圖3 顯示的仿真分析中，分別使用質(zhì)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。左圖顯示了燃料域內(nèi)部傳熱系數(shù)的等高線圖，同時顯示了油的流線。右圖描繪了油域內(nèi)部的傳熱系數(shù)的輪廓圖，其中燃料流線移動通過了螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋內(nèi)芯的高度僅約100mm（3.9英寸），直徑僅為60mm（2.4英寸），整體性能為3KW（10,200 Btu / Hr）。

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。

圖4概述了將幾何圖形從nTop 平臺轉(zhuǎn)換為所選CFD工具的過程。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(wǎng)格來定義的， 然后將這些流體體積網(wǎng)格導入CFD工具，應用適當?shù)倪吔鐥l件，再進行流體模擬。

圖4 從nTop 平臺到CFD所需的流程。來源：nTopology

在進入nTop 平臺之前，F(xiàn)COC的初始設計概念在紙上以及計算機輔助設計（CAD）中經(jīng)歷了多次設計迭代。主要設計考慮因素包括：最小化壓降，增強流動特性，引入沖擊力以改善傳熱系數(shù)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、熱燃料在熱交換器中的流動方式。熱油進入頂部管道（1），在藍色圓頂周圍移動，進入螺旋結(jié)構(gòu)（描繪為紅色圓柱體），進入內(nèi)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，撞擊出油管，向上移動通過螺旋結(jié)構(gòu)，撞擊在藍色圓頂上，然后離開右上角（4）。

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(jié)構(gòu)的填充量。CAD軟件Cero中的工具用于生成熱交換器的外殼和圓頂結(jié)構(gòu)。

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，并將這些實體導入到nTop 平臺中。導入后，為了在nTop平臺中正確利用CAD幾何圖形，有必要將零件轉(zhuǎn)換為nTop隱式實體。

圖6 圓柱狀的螺旋結(jié)構(gòu)。來源：nTopology

nTop 平臺具有在圓柱坐標系中創(chuàng)建TPMS結(jié)構(gòu)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。

如圖6所示，通過nTop 平臺可以改變周長、半徑和高度周期，晶胞和壁厚。設計人員可以定制螺旋結(jié)構(gòu)的形狀以滿足性能要求，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(diào)整流體進入和排出的方式，以最大程度降低總壓降，同時優(yōu)化熱交換器的系統(tǒng)級性能。圖7-圖10顯示了如何調(diào)整晶胞大小、周長計數(shù)和高度周期，在整個熱交換器中實現(xiàn)平滑的流體通道。

從左到右依次為圖7,8,10。來源：nTopology

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

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。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(zhuǎn)換額外的CAD實體（面，邊，頂點），并分配參數(shù)控制參數(shù)，做到隨著CAD幾何形狀的更改工作流是可重復的。一旦生成了相交的體積，只需選擇要阻止的合適流體即可。大部分相交體積是通過提取CAD曲面創(chuàng)建的，然后將其轉(zhuǎn)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。使用的主要模塊是圓環(huán)，然后將其重新映射，以創(chuàng)建如圖9所示的拱形通道，從而產(chǎn)生了一種對增材制造更友好的結(jié)構(gòu)。

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

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。如先前在圖4中的描述，流體域和熱交換器壁已生成，現(xiàn)在需要的是生成這些區(qū)域的體積網(wǎng)格。

圖11 nTop 平臺內(nèi)部的網(wǎng)格劃分過程。來源：nTopology

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

CFX和Fluent 都是很好的求解器，設計用戶可以根據(jù)要解決的物理類型進行選擇。例如，對于高馬赫數(shù)/超音速流，首選Fluent，而對渦輪機械和其他不可壓縮的流體仿真，可以首選CFX。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，這些包括但不限于流體入口和出口面。

定義邊界面并轉(zhuǎn)換網(wǎng)格后，將每個流體域分別導入ANSYS CFX，可以識別定義的面，并可以輕松將其分配給其適當?shù)倪吔鐥l件。在出口為0 kPa的情況下，燃料和機油的入口質(zhì)量流率分別設置為0.45 kg / s和0.3 kg / s。

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。來自nTop平臺的網(wǎng)格輸出可以在ICEM中識別為設計更新，然后可以將其重新導入并重復整個CFD工作流程。

 總結(jié)

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，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。

nTop 平臺能夠創(chuàng)建復雜的幾何圖形（TPMS結(jié)構(gòu)、流體體積、平滑的格-固過渡），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。在與外部CAE 工具集成的同時，在單個工具中執(zhí)行此類復雜操作的能力是空前的，并且可以允許在復雜幾何圖形上實現(xiàn)快速的設計迭代。

* ICEM CFD是ANSYS的模塊，用于網(wǎng)格細化，轉(zhuǎn)換和生成，作為邊界選擇工具。

參考資料：

“Unlocking Advanced Heat Exchanger Design and Simulation with nTop Platform and ANSYS CFX”

來源;3D科學谷