详解航空燃油滑油3D打印热交换器设计流程

长期以来，传统的建模方式和无法实现复杂几何形状的制造工艺，制约着热交换器设计与效率的突破，而面向增材制造的高性能复杂几何结构，以及高强度铝合金3D打印材料，为热交换器设计的突破带来了新的可能性。

3D科学谷曾分享过一个增材制造飞机燃油滑油热交换器（FCOC）的设计案例。本期，3D科学谷将与谷友继续探讨这一案例，但今天的侧重点是这一3D打印飞机燃油滑油热交换器的设计过程，以及此过程中体现的通过先进设计和增材制造提高FCOC热交换器性能的全新可能性。

设计过程涵盖三个步骤：原始的CAD设计，nTOP 平台中的设计，通过ANSYS CFX 进行流体力学仿真分析（CFD）。

▲图1 三重周期性最小表面高性能热交换器，用于航空涡轮发动机

来源：nTopology

飞机发动机通过燃烧燃料获得强大的推力，在燃烧过程中产生大量需要消散的热量。在现代飞机中，燃油会在机翼中停留，并因此而变为低温燃料。在飞机机翼中被冷却的燃油将可能产生结晶从而阻塞系统，但这些冷却的燃料也为调节飞机燃烧室、机械和电气系统的温度提供了一种途径。通过燃油滑油热交换器（FCOC）在机油和燃料之间传递热能，将能够起到以下作用：

• 使机油冷却到足以润滑和冷却系统

• 防止燃料结晶

• 使燃油接近点火温度

解锁先进航空热交换器

设计与仿真

在FCOC 新一代高性能热交换器的设计项目中，要求是通过增材制造热交换器替换传统管壳式热交换器，并研究是否可以使用先进设计和增材制造来提高这种热交换器的性能。

▲图2 管壳式热交换器

来源：nTopology

l 在有限空间中提高热性能

设计师需要在给定的有限空间中进行设计优化，一种有效的办法是使用高级几何图形，以数学方式精确地控制此设计空间内部的几何图形。在FCOC 项目中，设计师使用nTOP 平台定义了一个体积，用于FCOC 的设计迭代，迭代方式是在实现表面积最大化的同时实现壁厚最小化。

在本案例研究中使用了三重周期最小表面（TPMS），它既具有高强度重量比，又具有非常高的表面积质量比。螺旋(gyroid) 是一种TPMS，可用于定义内部体积。通过在这种热交换器中使用螺旋结构，与更相同尺寸的传统管壳式热交换器相比，该螺旋结构的表面积增加了146％。

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

当这一设计与增材制造技术相结合时，将能够实现以往无法实现的具有高强度和散热要求的零件。

为实现最小壁厚，设计师选择专为增材制造开发的高强度7000系列铝合金（7A77.60L）作为热交换器制造材料，由此，FCOC的壁厚得以最小化，同时仍能满足飞机的临界爆破压力结构要求。7A77.60L 铝合金的屈服强度几乎是铸造级增材制造铝合金AlSi10Mg的两倍，通过该材料制造的螺旋结构壁厚能够减少为原来设计的一半。

表面积增加146%，而壁厚减少一半，使得相同体积内的FCOC的总热量传递相比传统设计增加大约300％。

l 流体力学仿真预测增材制造热交换器性能

ANSYS CFX 是一种先进的计算流体动力学求解器，被用于评估FCOC的性能。在整个设计迭代阶段，使用了多次CFD仿真对设计进行评估。

设计师根据最初的仿真结果，对能量在螺旋管内部的分配方式进行优化，从而使总传热系数增加12％。从nTop平台到ICEM（用于网格细化和转换）和ANSYS CFX 是一个可重复的工作流程，能够帮助设计师快速设计迭代。

▲图3 左：带有油速流线的传热系数值；右：显示了带油速传热系数的燃料速度流线。

来源：nTopology

图3 显示的仿真分析中，分别使用质量流量约为0.45 kg / s和0.3 kg / s的燃料和油液特性以及边界条件。左图显示了燃料域内部传热系数的等高线图，同时显示了油的流线。右图描绘了油域内部的传热系数的轮廓图，其中燃料流线移动通过了螺旋结构。螺旋内芯的高度仅约100mm（3.9英寸），直径仅为60mm（2.4英寸），整体性能为3KW（10,200 Btu / Hr）。

l 设计方法

接下来，我们来了解一下增材制造FCOC热交换器的具体设计方法。

图4概述了将几何图形从nTop 平台转换为所选CFD工具的过程。该过程是由用户隔离热交换器的流体域，并在nTop 平台中生成这些流体域的体积网格来定义的， 然后将这些流体体积网格导入CFD工具，应用适当的边界条件，再进行流体模拟。

▲图4 从nTop 平台到CFD所需的流程

来源：nTopology

在进入nTop 平台之前，FCOC的初始设计概念在纸上以及计算机辅助设计（CAD）中经历了多次设计迭代。主要设计考虑因素包括：最小化压降，增强流动特性，引入冲击力以改善传热系数以及进行增材制造设计。

▲图5 FCOC热交换器的原始设计概念

来源：nTopology

图5 显示了冷、热燃料在热交换器中的流动方式。热油进入顶部管道（1），在蓝色圆顶周围移动，进入螺旋结构（描绘为红色圆柱体），进入内径并从底部的管道（2）退出。冷燃料通过左下方的开口（3）进入，撞击出油管，向上移动通过螺旋结构，撞击在蓝色圆顶上，然后离开右上角（4）。

图5中可见的CAD实体和表面用于定义热交换器的体积。利用这些物体和表面来设计TPMS结构的填充量。CAD软件Cero中的工具用于生成热交换器的外壳和圆顶结构。

l nTop 平台中进行面向增材制造的设计

当在CAD 软件Creo中最终确定边界表示形式时，程序集将另存为单个实体，并将这些实体导入到nTop 平台中。导入后，为了在nTop平台中正确利用CAD几何图形，有必要将零件转换为nTop隐式实体。

▲图6 圆柱状的螺旋结构

来源：nTopology

nTop 平台具有在圆柱坐标系中创建TPMS结构的独特功能（如图6所示）。这对于更广泛的热交换器设计以及特定的流体流动是有利的。

如图6所示，通过nTop 平台可以改变周长、半径和高度周期，晶胞和壁厚。设计人员可以定制螺旋结构的形状以满足性能要求，例如作为表面积和横截面流动面积。这种几何控制还允许设计人员调整流体进入和排出的方式，以最大程度降低总压降，同时优化热交换器的系统级性能。图7-图10显示了如何调整晶胞大小、周长计数和高度周期，在整个热交换器中实现平滑的流体通道。

▲从左到右依次为图7,8,10

来源：nTopology

到了这一步，设计师已将CAD几何导入并转换为nTop隐式实体，并生成了流体域。下一步是为创建挡板或分流器，这个步骤是为了防止冷、热两种流体发生混合。

▲图9 在设计过程中考虑了各种进气口配置,从而最大化流量和可制造性。

来源：nTopology

此步骤中的主要挑战是生成用于与流体体积相交的体积。这可能需要设计人员转换额外的CAD实体（面，边，顶点），并分配参数控制参数，做到随着CAD几何形状的更改工作流是可重复的。一旦生成了相交的体积，只需选择要阻止的合适流体即可。大部分相交体积是通过提取CAD曲面创建的，然后将其转换为nTop隐式实体并进行加厚。其他相交的体积使用原始几何块生成新的几何。使用的主要模块是圆环，然后将其重新映射，以创建如图9所示的拱形通道，从而产生了一种对增材制造更友好的结构。

至此，挡板设计的过程已经完成，有必要将新形成的热交换器芯组装到热交换器组件上。在此过程中，nTop 平台可以在周期性的挡板结构和“实体”几何体之间无缝地创建圆角。

l 导入ANSYS CFX

本环节将对用于CFD仿真的离散化nTop 平台实进行描述。如先前在图4中的描述，流体域和热交换器壁已生成，现在需要的是生成这些区域的体积网格。

▲图11 nTop 平台内部的网格划分过程。

来源：nTopology

在图11中，左图描述了用于创建和导出网格的模块，中间部分是热交换器内芯网格，右上方是带有ANSYS Fluent作为格式选项的导出窗口。网格化完成后，可以将体积网格导出为ANSYS Fluent网格（CFD网格文件类型可从nTop 平台获取），然后导入ICEM CFD*。

CFX和Fluent 都是很好的求解器，设计用户可以根据要解决的物理类型进行选择。例如，对于高马赫数/超音速流，首选Fluent，而对涡轮机械和其他不可压缩的流体仿真，可以首选CFX。为了设置和定义任何类型的计算分析，用户必须应用边界条件来选择曲面，这些包括但不限于流体入口和出口面。

定义边界面并转换网格后，将每个流体域分别导入ANSYS CFX，可以识别定义的面，并可以轻松将其分配给其适当的边界条件。在出口为0 kPa的情况下，燃料和机油的入口质量流率分别设置为0.45 kg / s和0.3 kg / s。

一旦建立了从nTop平台到 CFD的工作流程，设计用户就可以在整个设计迭代过程中继续使用该流程。来自nTop平台的网格输出可以在ICEM中识别为设计更新，然后可以将其重新导入并重复整个CFD工作流程。

l 总结

在增材制造飞机燃油滑油热交换器（FCOC）设计与流体力学仿真案例中，已证明了对nTop 平台中生成的复杂几何图形执行CFD的总体可行性。

nTop 平台能够创建复杂的几何图形（TPMS结构、流体体积、平滑的格-固过渡），同时保持对几何模型的完全控制，然后将几何图形导出到外部的仿真平台进行验证。在与外部CAE 工具集成的同时，在单个工具中执行此类复杂操作的能力是空前的，并且可以允许在复杂几何图形上实现快速的设计迭代。

（ 3D科学谷）

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