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)隊通過結(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。隨后，他們利用激光粉末床熔融金屬3D打印技術(shù)對這種創(chuàng)新設(shè)計進(jìn)行了驗證。

△機械工程系教授錢小平手持團(tuán)隊研發(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《國際傳熱傳質(zhì)雜志》論文的第一作者。其他合著者包括來自威斯康星大學(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)過程和航空領(lǐng)域。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機械工程教授錢小平說道：“傳統(tǒng)上，熱交換器通過直管來輸送熱流體和冷流體，主要是因為直管易于制造。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，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，這是一種用于研究結(jié)構(gòu)中材料分布以實現(xiàn)特定設(shè)計目標(biāo)的計算設(shè)計方法。他還采用了一項名為“投影底切周長”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。

△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)計的傳統(tǒng)換熱器完全相同，但內(nèi)部核心設(shè)計卻截然不同。優(yōu)化設(shè)計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，從而增強傳熱效果。

合作者、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機械工程教授馬克·安德森對優(yōu)化后的換熱器和傳統(tǒng)換熱器進(jìn)行了熱工水力測試，以比較它們的性能。優(yōu)化設(shè)計不僅傳熱效率更高，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——這對于航空航天應(yīng)用來說非常有用。

△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。圖片由錢小平提供。

雖然之前的研究已經(jīng)使用拓?fù)鋬?yōu)化來研究雙流體熱交換器設(shè)計，但錢說這項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)計能夠被構(gòu)建和測試。

錢教授說道：“在計算機上優(yōu)化設(shè)計是一回事，但實際制造和測試又是另一回事，”。“我們的優(yōu)化方法奏效了，這令人興奮。我們能夠?qū)嶋H制造出我們設(shè)計的熱交換器。而且，通過實驗測試，我們證明了優(yōu)化設(shè)計的性能提升。三個研究小組的學(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�！�

錢小平是機械工程系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·安德森是機械工程系綜合論文教授。研究人員通過威斯康星校友研究基金會為他們的投影底切周長技術(shù)申請了專利。這項工作得到了 ARPA-E 撥款 DE-AR0001475 和國家科學(xué)基金會撥款 1941206 的支持。