最新成果！3D打印多孔螺旋结构换热器性能研究

热管理，这个看似平凡却又至关重要的领域，正迎来一场革命性的变革。

从家用空调到工业冷却系统，从汽车散热器到电子设备散热，热交换器在各个领域扮演着至关重要的角色。

但传统热交换器的设计和制造方法已经难以满足日益增长的高效能、小型化需求，特别是在航空航天、高性能计算等特殊领域。

想象一下，如果我们能将最复杂精妙的结构、最前沿的3D打印技术，以及尖端的计算机模拟完美结合，会发生什么？

近日，《国际热质传递杂志》上发表的一项突破性研究，为我们揭示了这个令人兴奋的答案。

一种内部螺旋结构的全新热交换器，不仅在性能上远超传统设计，更为3D打印在高性能功能部件制造中开辟了新天地。

Gyroid热交换器在体积减少30%的情况下，其传热单元数（NTU）比传统板式换热器高出10.5%，温度效率（TE）提升5%，压降能力比传统板式热交换器高出约18%。

这项创新可能重新定义我们如何管理热量，进而改变多个行业的未来。

请跟随AM易道一起来看看，这项融合了复杂结构、3D打印技术和先进数值模拟的创新，究竟有何过人之处。

从自然中汲取灵感：多孔螺旋结构的魅力

自然界中的奇妙设计总是让我们惊叹不已。从蜂巢的六边形结构到贝壳的螺旋纹路，大自然似乎总能找到最优的解决方案。

受这种自然智慧的启发，科学家们一直在探索能够模仿或利用这些优化结构的方法。

在这种探索中，一种名为"多孔螺旋Gyroid"的数学结构引起了研究人员的注意。

多孔螺旋Gyroid结构虽然不是直接来自于自然，但它的特性与许多自然界中的结构有着惊人的相似之处。

这种三周期极小曲面(TPMS)结构由数学家Alan Schoen在1970年发现，其数学表达式为：

cos(x) · sin(y) + cos(y) · sin(z) + cos(z) · sin(x) = 0。

这个看似复杂的公式，创造出了一个具有连续曲面、高度对称性和大比表面积的结构。

上图展示了不同尺寸多孔螺旋Gyroid核心结构的对比：

(a) 2mm单元尺寸 (b) 5mm单元尺寸 (c) 10mm单元尺寸 (d) 15mm单元尺寸。

这组图清晰地展示了多孔螺旋Gyroid结构随单元尺寸变化的特性。

我们可以看到，随着单元尺寸的增大，结构变得更加疏松，但保持了连续的曲面特征。

这种可调节性为热交换器设计提供了灵活性，使得研究人员能够根据具体应用需求调整结构参数。

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AM易道认为在热交换领域，比表面积越大，热交换效率就越高。而多孔螺旋Gyroid结构恰恰提供了一个绝佳的解决方案：在有限的空间内创造出最大的表面积。

3D打印：将复杂结构变为可能

再好的设计如果无法实现，也只能是纸上谈兵。

这就是3D打印技术大显身手的地方。

研究团队采用了激光粉末床融合（LPBF）技术，使用316L不锈钢粉末，在3D打印机上将这个复杂的结构变为现实。

上图展示了多孔螺旋Gyroid核心结构的一部分。

这张图片让我们能够近距离观察3D打印制造的结构的细节。我们可以清楚地看到结构的复杂性和连续性，这种独特的几何形状为热交换提供了大量的表面积。

同时，我们也可以观察到3D打印过程中产生的表面纹理，这种微观上的粗糙度可能对热交换效率产生意想不到的积极影响。

AM易道认为，这张图片生动地展示了3D打印技术在实现复杂几何结构方面的优势。传统制造不可能制造出如此精细和复杂的内部结构。

而通过3D打印，我们可以将理论上的完美设计变为现实，为热交换器的性能提升开辟了新的可能性。

上图展示了多孔螺旋Gyroid热交换器的设计：(a) 热交换器整体模型及尺寸 (b) 流体流动组织细节。

这张图详细展示了热交换器的整体设计。

我们可以看到，设计者巧妙地利用了3D打印技术的优势，创造出了传统制造方法难以实现的复杂内部结构。

特别注意图(b)中的流体流动组织，这种近似逆流的设计大大提高了热交换效率。

热交换器的壁厚为2mm，Gyroid结构的壁厚为1.2mm。整个装置采用316L不锈钢材料，打印时间为39小时。

上图展示了热交换器的制造过程：

这组图片详细展示了从数字模型到实体产品的整个制造过程。特别值得注意的是支撑结构的设计（a）和后处理过程（c和d），这些步骤对于确保最终产品的质量至关重要。

性能突破：换热性能数据会说话

理论很美好，但实际效果如何呢？

研究团队进行了详细的实验验证和数值模拟，结果令人振奋：

上面两图分别展示了实验装置的示意图和实际测量站：(a) 正面视图 (b) 背面视图。

这些图片展示了研究团队为验证热交换器性能而搭建的复杂实验装置。我们可以看到，实验设置包括了闭环热水系统和开放式冷水系统，以及各种高精度测量设备，确保了实验数据的准确性和可靠性。

上图展示了热流量相对误差水平[%]与体积流量和温度差的关系。

这张图对于理解实验数据的可靠性至关重要。

我们可以看到，相对误差随着体积流量的增加而减小，这可能是因为在较高流量下，测量设备的精度相对提高。

同时，温度差越大，相对误差也越小，这表明在较大温度差的条件下，热交换效果更容易准确测量。

这种误差分析不仅有助于评估实验结果的可靠性，也为未来改进实验设计提供了方向，特别是在低流量和小温度差的工作条件下，可能需要采用更精密的测量设备或方法。

实验结果令人振奋：

- 传热单元数（NTU）：比传统板式换热器高出10.5%

- 温度效率（TE）：提升5%

- 体积效率：在体积减少30%的情况下实现上述性能提升

- 压降能力：Gyroid结构导致更高的压降，约比传统板式热交换器高18%。

这些数据意味着什么？简单来说，新型热交换器能在更小的空间内实现更高效的热交换。

对于空间寸土寸金的现代电子设备来说，这无疑是一个巨大的突破。

虽然实验中存在一定的误差，特别是在低流量和小温度差条件下，但总体而言，多孔螺旋Gyroid热交换器展现出了显著的性能优势。

深入研究：揭秘性能提升的奥秘

上图展示了数值模拟中使用的重要表面命名：

(a) 冷流体域 (b) 热流体域 (c) 核心结构 (d) 用于模拟的完整域视图。

这张图帮助我们理解研究团队如何设置数值模拟模型，清晰地展示了热交换器的各个组成部分及其在模拟中的表示方式。

通过这种详细的模型设置，研究人员能够精确地模拟热交换过程，为后续的性能优化提供可靠的数据支持。

研究团队并未止步于表面数据，他们通过深入的数值模拟和参数研究，揭示了多孔螺旋Gyroid结构的一些有趣特性：

上图展示了数值模拟中使用的网格。这张图清晰地展示了研究团队如何对热交换器进行网格划分以进行数值模拟：

(a) 对称平面截面：这个视图让我们看到了热交换器内部的网格结构。我们可以观察到，在复杂的多孔螺旋Gyroid结构周围，网格变得更加密集，这是为了更准确地捕捉这些区域的流动和热传递特性。

(b) 冷流体出口网格：这个视图展示了冷流体出口处的网格结构。我们可以看到，在流体进出口等关键区域，网格被进一步细化，以确保能够准确模拟这些区域的流动特性。

(c) 热交换器内部网格片段：这个局部放大视图让我们能够更清楚地看到网格的细节。我们可以观察到多面体网格的使用，这种网格类型能够很好地适应复杂的几何形状，同时平衡计算精度和计算资源需求。

研究人员采用的这种网格策略，既保证了关键区域的计算精度，又避免了整体计算资源的过度消耗，体现了数值模拟中的一种智慧平衡。

上图展示了热交换器内部的温度分布云图：

(a) 对称平面截面：这个视图让我们看到了热交换器内部的温度分布。我们可以清楚地观察到热量从高温区域（红色）向低温区域（蓝色）传递的过程。

多孔螺旋结构的复杂几何形状在这里发挥了重要作用，它创造了大量的热交换表面，促进了热量的快速传递。

(b) 高于对称平面3mm的截面：这个视图提供了另一个角度来观察温度分布。我们可以看到，即使在略微偏离中心平面的位置，温度分布仍然保持了良好的均匀性。

这说明多孔螺旋Gyroid结构在三维空间内都能有效地促进热交换。

从这两个视图中，我们可以观察到温度梯度的变化。

在热流体入口和冷流体入口附近，温度梯度最大，这意味着这些区域的热交换最为剧烈。

随着流体在热交换器内部流动，温度梯度逐渐减小，但仍然保持着有效的热交换。

这种温度分布的可视化不仅帮助我们理解热交换器的工作原理，还为进一步优化结构设计提供了重要依据。

例如，研究人员可以根据这些结果，调整多孔螺旋Gyroid结构的参数，以达到更均匀的温度分布或更高的热交换效率。

其他有启发意义的研究成果

表面光滑真的好吗？

有趣的是，研究人员发现3D打印制造的多孔螺旋Gyroid结构表面并不像镜子那样光滑，而是有些粗糙。

这本来可能被认为是缺陷，但实际上却对热交换有积极影响！

通过在计算机模型中调整表面粗糙度（设为0.0009毫米），研究结果与实验数据更加吻合。

这启示我们，有时候完美并不一定是最优的。

单元尺寸效应：

研究发现，7mm左右的单元尺寸能在热交换效率和压力损失之间取得最佳平衡。这为未来的结构优化提供了重要指导。

熵产生分析：

研究团队引入了熵产生的概念，发现随着单元尺寸增大，系统的"能量浪费"反而减少。这为热交换器的热力学优化提供了新的视角。

AM易道认为，这些深入的研究成果不仅有助于我们理解多孔螺旋Gyroid热交换器的工作原理，更为未来的结构优化和性能提升指明了方向。

应用前景与商业机会

虽然这项研究还处于实验室阶段，但其潜在的应用前景已经让人兴奋不已。

AM易道认为，以下几个领域可能成为多孔螺旋复杂热交换器的主战场：

- 高性能计算：

随着AI的发展，对高性能计算的需求与日俱增。复杂热交换器可能成为解决芯片散热问题的关键。

- 航空航天：

在这个"每克都算钱"的领域，高效轻量的热管理解决方案将大受欢迎。

- 新能源汽车：

电池的热管理一直是制约电动车发展的瓶颈之一，多孔螺旋Gyroid热交换器或许能提供新的解决思路。

- 工业流程优化：

在一些高温工业过程中，高效的热回收可以显著提高能源利用率，降低生产成本。

对于3D打印行业来说，这项研究无疑是一针强心剂。

它再次证明，3D打印不仅仅是一种制造方法，更是一种能够实现创新设计的使能技术。

随着更多类似的应用被开发出来，3D打印在高附加值零件制造领域的地位将越发稳固。

写在最后

尽管商业化道路上还存在诸多挑战，比如成本问题、可靠性验证缺乏、规模化生产经验不足等等，但这项研究无疑为我们展示了一个充满可能的未来。

此文热交换器的研究成果通过将结构设计的智慧（多孔螺旋Gyroid结构）与现代制造技术（3D打印）和深入的科学研究（数值模拟和实验验证）相结合，研究团队创造出了一种性能远超传统设计的新型热交换器。

这种方法不仅适用于热交换器的设计，也可以推广到其他工程领域，为解决各种复杂问题提供新的思路。

对于3D打印行业来说，这项研究证明了3D打印不仅是一种制造方法，更是一种能够实现创新设计的使能技术。

随着更多类似的高性能、高附加值应用被开发出来，3D打印技术在工业制造中的地位将越发重要。

对于那些对AI技术或商业机会感兴趣的读者来说，这项研究也提供了一些有趣的思考方向：

• AI在材料设计中的应用：未来，我们是否可以利用机器学习算法，更快速地发现和优化类似多孔螺旋Gyroid这样的复杂结构？
• 数字孪生技术的潜力：随着数值模拟技术的进步，我们是否可以为每个生产的热交换器创建一个数字孪生，实现全生命周期的监控和优化？

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