威斯康星大學麥迪遜分校工程師利用 3D打印技術開發(fā)增強型熱交換器

2025年5月18日，南極熊獲悉,，威斯康星大學麥迪遜分校的工程師團隊通過結合拓撲優(yōu)化和增材制造開發(fā)了一種具有扭曲微流道結構的高溫熱交換器，在傳熱,、功率密度和效率方面均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的直通道設計,。隨后，他們利用激光粉末床熔融金屬3D打印技術對這種創(chuàng)新設計進行了驗證,。

△機械工程系教授錢小平手持團隊研發(fā)的3D打印拓撲優(yōu)化熱交換器,。攝影：Joel Hallberg。

相關研究以題為“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《國際傳熱傳質雜志》論文的第一作者,。其他合著者包括來自威斯康星大學麥迪遜分校的Tiago Augusto Moreira、Behzad Rankouhi,、Xinyi Yu和Ian Jentz,。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126809

高溫熱交換器是許多散熱技術的重要組成部分，廣泛應用于航空航天,、發(fā)電,、工業(yè)過程和航空領域。

威斯康星大學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,。”

增材制造技術使研究人員能夠創(chuàng)建具有復雜幾何形狀的結構,，從而生產出更高效的熱交換器,。憑借這種設計自由，錢教授著手探索熱交換器內部冷熱流體通道的設計,，以最大限度地提高傳熱效率,。

他充分利用了自己在拓撲優(yōu)化方面的專業(yè)知識，這是一種用于研究結構中材料分布以實現(xiàn)特定設計目標的計算設計方法,。他還采用了一項名為“投影底切周長”的專利技術,，該技術將可制造性約束納入了整體設計,。

△經拓撲優(yōu)化的熱交換器芯體晶胞單元渲染圖。優(yōu)化設計包含具有復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)化的設計后，錢教授與同事,、威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程系教授丹·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對熱交換器進行 3D 打印。

從外觀上看,，優(yōu)化后的換熱器與采用直通道設計的傳統(tǒng)換熱器完全相同,，但內部核心設計卻截然不同。優(yōu)化設計中的冷熱流體通道相互交織,，具有復雜的幾何形狀和表面特征,。這些復雜的幾何特征引導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)換熱器進行了熱工水力測試，以比較它們的性能,。優(yōu)化設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——這對于航空航天應用來說非常有用,。

△優(yōu)化換熱器的核心由拓撲優(yōu)化的單元構成。優(yōu)化設計在傳熱,、功率密度和效率方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的直通道設計,。圖片由錢小平提供。

雖然之前的研究已經使用拓撲優(yōu)化來研究雙流體熱交換器設計,，但錢說這項工作是第一次利用拓撲優(yōu)化并施加可制造性約束以確保設計能夠被構建和測試,。

錢教授說道：“在計算機上優(yōu)化設計是一回事，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,。我們能夠實際制造出我們設計的熱交換器。而且,，通過實驗測試,，我們證明了優(yōu)化設計的性能提升。三個研究小組的學生,、博士后研究員和科學家的出色工作,，使這一進展成為可能,。”

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申請了專利,。這項工作得到了 ARPA-E 撥款 DE-AR0001475 和國家科學基金會撥款 1941206 的支持,。