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3DScienceValley發布時間：02-2317:06長期以來，傳統的建模方式和無法實現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構，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。本期，3D科學谷將分享一個3D打印飛機燃油滑油熱交換器（FCOC）的設計案例，這一熱交換器集成了螺旋內部結構，制造材料為高強度3D打印鋁合金材料7A77.60L，其表面積增加了146％，壁厚減少50％，傳熱率提高300％，在設計和效率方面實現了突破。3D打印FCOC熱交換器的內表面。來源：Ansys面向增材制造的設計，提升熱交換器性能飛機機翼中冷卻的燃油，將可能產生結晶從而阻塞系統，但這些冷卻的燃料也為調節飛機燃燒室、機械和電氣系統的溫度提供了一種方法。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防止燃料結晶使燃油接近點火溫度FCOC熱交換器需要滿足嚴格的尺寸，形狀和重量限制才能適合飛機的配置，因此這類熱交換器的設計優化是具有挑戰的，在設計時受限于最大化內壁的表面積和內壁厚度等因素。通常，FCOC熱交換器是相對而言易于設計與制造的管殼式熱交換器。而借助金屬增材制造-3D打印技術，拓撲優化和計算流體力學（CFD）仿真技術，能夠設計與制造出以往無法生產的熱交換器。3D打印FCOC熱交換器原型。來源：Ansys通過圖片可以看到，3D打印熱交換器的內部表面是一種螺旋(gyroid)結構。在這一案例中，設計師使用nTop Platform 軟件，獲得最大化的表面積重量比，使用三維周期性極小化曲面（TPMS）結構生成燃油滑油熱交換器的內部。螺旋(gyroid) 是一種TPMS，可用于定義內部體積，該內部表面積增加了146%，強度也得到了提升，同時使質量最小化。采用這種高性能幾何結構，熱交換器的傳熱率提高300％。這種帶有螺旋內部結構的熱交換器是無法使用傳統技術實現的，但是金屬3D打印技術能夠制造這類復雜結構的熱交換器。為了實現薄壁結構，設計師嘗試使用了一種高強度3D打印鋁合金。根據3D科學谷的市場觀察，這種材料是HRL實驗室開發的7A77.60L鋁粉，成型后的材料無裂紋、等軸（即晶粒在長度、寬度和高度上大致相等），實現了細晶粒微觀結構，并與鍛造材料具有相當的材料強度，3D打印的鋁合金材料平均屈服強度高達580 MPa，極限強度超過600 MPa，平均伸長率超過8％。也正是使用這一材料，使得燃油滑油熱交換器的壁厚減少了一半，同時又保持了飛機的關鍵結構要求，例如爆破壓力。在熱交換器的設計迭代階段，設計師使用了Ansys計算流體力學軟件CFX 評估FCOC熱交換器設計的性能。設計師將nTop Platform和ANSYS CFX集成到自動化工作流程中，將熱交換器設計的性能進一步提高12％。 燃料區域內部的傳熱系數和油流的流線的等高線圖（左）。油域內部傳熱系數的輪廓圖和燃料流的流線圖（右）。相關搜索全熱交換器熱交換器上市公司鍋爐熱交換器熱交換器的種類暖氣熱交換器價格家庭地暖熱交換器

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