CN117906429A - 一种三周期极小曲面紧凑换热器及其制造方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三周期极小曲面紧凑换热器及其制造方法和应用，所述三周期极小曲面紧凑换热器具有外壳，外壳上具有冷、热流体的进、出口以及相应的封头，外壳中设置有三周期极小曲面芯体结构，用于将外壳内腔划分为相互交叉但不相互连通的冷、热流体通道，流体入口封头中设置有孔板导流结构，用于使高压、高速流体以均匀分布的流速和流量进入三周期极小曲面芯体结构；孔板导流结构上的孔洞形状通过拓扑优化方法确定。本发明能够大幅提升换热器的换热性能，或是在同样的换热性能下能够缩小换热器尺寸。

Description

一种三周期极小曲面紧凑换热器及其制造方法和应用

技术领域

本发明涉及点阵结构的紧凑型换热器，具体涉及一种三周期极小曲面紧凑换热器及其制造方法和应用。

背景技术

换热器是用于冷热流体进行热量交换的设备，广泛应用于石油、化工、汽车、航空航天等领域。随着技术的发展，这些领域对于换热器的性能提出了更高的要求，例如随着汽车电池组容量的增大，要求换热器具有更高的换热性能；再例如航空航天领域追求换热器的小型化、轻量化；这些日益增长的性能需求促使换热器往尺寸紧凑及更高传热性能方向发展。

采用三周期极小曲面等新型点阵结构作为芯体的换热器具有紧凑的结构以及高的换热性能，因而备受青睐。然而，当其应用于高压、高流速工况下时，三周期极小曲面等点阵结构，由于晶格尺寸普遍偏小，在流体通过封头进入换热器芯体时，会产生局部高流速以及流量分布不均匀的情况，这会造成进入换热器芯体部分的流体分布不均匀，使芯体内产生空腔，从而降低了换热器芯体的利用率和换热性能。

另一方面，采用三周期极小曲面等点阵结构的紧凑换热器，其尺寸大小往往受到限制，为了确保可制造性和尽量保证流量分配，封头往往设计得很长，而较长的封头结构在有限尺寸条件下，会压缩芯体的空间，从而进一步限制了换热性能。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种能够改善进口封头处流量分配不均问题、提升换热性能的三周期极小曲面紧凑换热器；本发明的第二目的是提供所述三周期极小曲面紧凑换热器的制造方法；本发明的第三目的是提供所述三周期极小曲面紧凑换热器的应用。

技术方案：本发明所述的三周期极小曲面紧凑换热器，具有外壳，外壳上具有冷、热流体的进、出口以及相应的封头，外壳中设置有三周期极小曲面芯体结构，用于将外壳内腔划分为相互交叉但不相互连通的冷、热流体通道，流体入口封头中设置有孔板导流结构，用于使高压、高速流体以均匀分布的流速和流量进入三周期极小曲面芯体结构；孔板导流结构上的孔洞形状通过拓扑优化方法确定。

本发明在流体入口与三周期极小曲面芯体结构之间增设孔板导流结构，流体经封头入口进入封头上半区，到达孔板导流结构，经过孔板导流结构上的孔洞后流入封头下半区，并最终以均匀分布的流速和流量进入点阵结构芯体单侧流体区域。

进一步地，所述拓扑优化方法包括：选取整个孔板导流结构为优化设计区域，建立拓扑优化模型，设置约束条件和目标函数，得到孔洞形状；

所述约束条件为体积分数，对多组不同体积分数大小分别采用相同或相似的目标函数进行优化，依据结果选择合适的约束值；

所述目标函数为：最小化出口界面各处局部流速的方差，以及最小化流体域内出现的最大压力值，将这两个目标通过权重进行组合，得到多目标的目标函数。

进一步地，拓扑优化模型的设计域采用达西流动方程描述：

其中，为数学运算符号，ρ为流体密度；u为流体的速度矢量；Q_m为质量流量；κ为多孔介质渗透率，μ为材料的动力粘度，p为压力；

流体入口边界条件设置为平均流速，出口边界条件设置为处处相等的恒压条件，以替代三周期极小曲面芯体结构的进口截面。

进一步地，开展拓扑优化的仿真模型可以是设计域的一部分，通过包括旋转、镜像的拓展方式拓展到整个设计域。

进一步地，所述的拓扑优化方法使用SIMP(固体各向同性材料惩罚模型)方法进行插值。该模型假设单元内的材料密度为常数，并将其作为设计变量，而材料物性参数通过单元内的材料密度的函数来模拟，具有计算简便、效率高的优点。

进一步地，三周期极小曲面单胞结构为Schwartz-P曲面、Gyroid曲面、Diamond曲面结构中的任意一种。

进一步地，Schwartz-P曲面、Gyroid曲面、Diamond曲面的表达式分别为：

其中，X,Y,Z为三维空间中某一点的坐标；sin为三角正弦函数；cos为三角余弦函数。

本发明所述的三周期极小曲面紧凑换热器的制造方法，所述孔板导流结构与流体入口封头通过3D打印方法一体成型，采用金属作为打印材料；所述孔板导流结构的整体形状为直板、拱形板、锥形板或半球壳板，具体结合换热器打印方向进行选择，确保孔板导流结构所有外形面与打印方向夹角小于45°(即孔板导流结构所有外形面与水平面夹角呈45°以上)。

进一步地，所述的3D打印方法采用SLM、SLS或DED工艺，为增材制造时的几种常见工艺。

本发明所述的三周期极小曲面紧凑换热器应用于流体不做折流、流程直且短、入口流速高、换热器体积小、压降要求低、换热效果要求高的场景，例如航空发动机燃油-润滑油换热器，以压降少许增大为代价提高换热性能。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

本发明使用孔板导流结构进行流量分配后，可以改善流体在进入芯体部分时的分布，一方面提高了芯体部分的利用率，提高了换热性能，另一方面避免了高速流体直接冲击芯体部分造成的局部高压力负荷。此外，通过孔板导流结构进行导流，可以在封头尺寸较小时也能够得到较好的流量分配效果，从而可以节省出更多空间给芯体部分，进一步提升了换热性能；或者在同样的换热性能下，能够缩小换热器尺寸。

附图说明

图1是本申请实施例中航空发动机滑油冷却器的半剖结构示意图(滑油冷却器内部的Diamond结构芯体未示出)；

图2是本申请实施例中具有孔板导流结构的换热器封头结构示意图；

图3是本申请实施例中拓扑优化模型示意图；

图4是本申请实施例中孔板拓扑优化结果示意图；

图5是本申请实施例中Diamond结构单元；

图6是本申请实施例中Diamond结构的流体域(单侧)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本申请实施例以航空发动机滑油冷却器为例，对本发明做示例性说明。该滑油冷却器内部采用Diamond结构芯体，燃油、润滑油入口封头处设置孔板导流结构。

需要说明的是，本申请重点在于孔板导流结构的设计及建模方法，对于Diamond结构参数、芯体部分的尺寸，以及燃油、润滑油的进口截面形状与尺寸等设计细节，均默认为已经通过热流耦合计算、实验等方式确定，在本申请中不做具体介绍。

该基于Diamond结构芯体、入口封头处具有孔板导流结构的航空发动机滑油冷却器设计优化方法如下：

(1)使用Matlab、Mathmod、Blender、Rhino Grasshopper等支持参数化建模的软件，按Diamond结构的表达式以及其他建模所需的参数，构建Diamond芯体多孔结构，其中晶格的大小、壁面厚度、周期数等参数可随时调整；Diamond结构如图5和图6所示；所生成的芯体外形为长方体。

(2)结合燃油、润滑油的进口面形状与位置，采用如图1所示的封头结构。

(3)确定3D打印方向后，设计孔板导流结构的位置和形状，但不添加孔；将孔板导流结构和封头分别导出为几何模型文件。本申请实施例中孔板导流结构的形状为中间凸起的锥形板，如图2所示。

(4)将封头、未开孔的孔板导流结构的几何模型文件导入拓扑优化软件，如图3所示，按照上述内容，设置材料、物理场、边界条件，并设置好约束条件、目标函数等拓扑优化参数。通过拓扑优化得到孔板拓扑优化结果，如图4所示。将其导出为几何模型，并与封头整合为一个整体。

将具有孔板导流结构的封头与换热器芯体以及外壳整合为一体，即可得到完整的换热器模型文件。将完整模型文件导入到3D打印专用软件中，检查确保可制造性后即可交付打印，得到完整的换热器。

Claims (10)

1.一种三周期极小曲面紧凑换热器，具有外壳，外壳上具有冷、热流体的进、出口以及相应的封头，外壳中设置有三周期极小曲面芯体结构，用于将外壳内腔划分为相互交叉但不相互连通的冷、热流体通道，其特征在于，流体入口封头中设置有孔板导流结构，用于使高压、高速流体以均匀分布的流速和流量进入三周期极小曲面芯体结构；孔板导流结构上的孔洞形状通过拓扑优化方法确定。

2.根据权利要求1所述的三周期极小曲面紧凑换热器，其特征在于，所述拓扑优化方法包括：选取整个孔板导流结构为优化设计区域，建立拓扑优化模型，设置约束条件和目标函数，得到孔洞形状；

所述约束条件为体积分数，对多组不同体积分数大小分别采用相同或相似的目标函数进行优化，依据结果选择合适的约束值；

所述目标函数为：最小化出口界面各处局部流速的方差，以及最小化流体域内出现的最大压力值，将这两个目标通过权重进行组合，得到多目标的目标函数。

3.根据权利要求2所述的三周期极小曲面紧凑换热器，其特征在于，拓扑优化模型的设计域采用达西流动方程描述：

其中，为数学运算符号，ρ为流体密度；u为流体的速度矢量；Q_m为质量流量；κ为多孔介质渗透率，μ为材料的动力粘度，p为压力；

流体入口边界条件设置为平均流速，出口边界条件设置为处处相等的恒压条件，以替代三周期极小曲面芯体结构的进口截面。

4.根据权利要求2所述的三周期极小曲面紧凑换热器，其特征在于，开展拓扑优化的仿真模型可以是设计域的一部分，通过包括旋转、镜像的拓展方式拓展到整个设计域。

5.根据权利要求2所述的三周期极小曲面紧凑换热器，其特征在于，所述的拓扑优化方法使用SIMP方法进行插值。

6.根据权利要求1所述的三周期极小曲面紧凑换热器，其特征在于，三周期极小曲面单胞结构为Gyroid曲面、Schwartz-P曲面、Diamond曲面结构中的任意一种。

7.根据权利要求6所述的三周期极小曲面紧凑换热器，其特征在于，Schwartz-P曲面、Gyroid曲面、Diamond曲面的表达式分别为：

其中，X,Y,Z为三维空间中某一点的坐标；sin为三角正弦函数；cos为三角余弦函数。

8.一种权利要求1至7中任一项所述的三周期极小曲面紧凑换热器的制造方法，其特征在于，所述孔板导流结构与流体入口封头通过3D打印方法一体成型，采用金属作为打印材料；所述孔板导流结构的整体形状为直板、拱形板、锥形板或半球壳板，具体结合换热器打印方向进行选择，确保孔板导流结构所有外形面与打印方向夹角小于45°。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述的3D打印方法采用SLM、SLS或DED工艺。

10.一种权利要求1至7中任一项所述的三周期极小曲面紧凑换热器应用于流体不做折流、流程直且短、入口流速高、换热器体积小、压降要求低、换热效果要求高的场景。