增材制造：基于nTop和CFX航空发动机换热器和微通道设计仿真

使用nTopology先进的几何内核，现在可以为航空航天设计下一代高性能的换热器。并使用先进的材料和增材制造的方式生产。Ansys CFX可以用前所未有的方式对高性能的设计进行仿真评估。在航空领域，航空器需要推动空气来产生推力以穿过大气。发动机会燃烧燃料并转化机械能为飞行提供所需的推力。在所有发动机中，燃烧过程和机械部件的工作都必然产生多余的热量。

图1：三周期极小曲面（TPMS）高性能换热器在航空涡流发动机中的应用

具体来说，发动机内的机油需要冷却以保证润滑的性能。而机翼上油箱内的燃油在飞行中的温度却很低，可以用来冷却许多飞机子系统。所以，燃油机油换热器（FCOC）就是这两种介质之间交换热量。这种换热器有两个目的：冷却机油保证润滑性能，加热燃料防止燃料中结成冰晶。

本文将记录燃油机油换热器（FCOC）从CAD初始设计的设计过程，nTop平台中的流程步骤，以及Ansys CFX中的最终计算流体力学（CFD）的分析步骤。此设计来源于America Makes公司的一个项目，项目目的是使用先进的设计和增材制造来提升传统的管壳式换热器的性能，如图2 所示。同时，本文为nTopology用户在他们自己的设计上执行类似的仿真时提供参考。

图2：America Makes管壳式燃油机油换热器

实现更高的热性能

许多航空航天设计都依附于硬件平台，有严格的空间约束，无法轻易的更改。因此，设计工程师以最少的改动做最大的提升是非常重要的。可以做到这一点的一种方法是使用高级的几何内核，在设计空间内以数学方式精确的控制几何形状。

在这个例子中，使用nTop平台定义一个用于迭代设计的空间，来设计出一个更大表面积和更少质量的结构。在这些设计约束下，提高换热器性能的两种方式就是：最大化表面积和最小化壁厚。

通过壁的传热可以计算为：

q= UAdT (1)

传热系数为：

U= k/s (2)

其中

k=热导率( W/mK ) (3)

s= 材料厚度(m) (4)

最大化表面积可以通过利用三周期极小曲面（TPMS）来实现。其中一种类型为Gyroid,它具有高的强度质量比和非常高的表面积质量比，也用在了本案例研究设计中。

通过使用Gyroid的结构，换热器的换热面积增加了146%。相同大小的散热器，设计使用TPMS结构能够获得更高的强度和换热能力。但要结合增材制造才能够使设计落地，这在以前使无法实现的。

Gyroid = S in(x)Cos(y) + S in(y)Cos(z) + S in(z)Cos(x)

为了最大限度的减少换热器的壁厚，我们开发了一种专业用于增材制造的纳米高强度7000系的铝合金——7A77。

使用这种铝合金，燃油机油换热器的壁厚得以使用更小的厚度满足飞机的临界爆破压力结构的要求。

7A77的强度是传统用于增材制造铝合金AlSi10Mg的两倍，这使得Gyroid胞元结构的壁厚大约是以前设计厚度的一半。

该设计最后实现了在相同的设计空间内，于传统的管壳式换热器相比，换热面积增加146%，壁厚减少一半，换热性能提升了大约三倍。

CFD仿真评估性能

Ansys CFX是一种先进的计算流体力学的求解器，在本例中用于评估换热器的性能。在整个设计迭代阶段，进行了多次的CFD仿真来评估设计。根据初始的仿真结果，改善Gyroid内流体流动使换热系数增加了12%。

使用可重复使用的工作流可以实现从nTop平台到ICEM（用于网格细化）和Ansys CFX 的数据互通，从而实现快速的设计迭代。

图3

换热器两侧流体分别是0.45kg/s的燃油和0.3kg/s的机油，图三左侧为燃油域的换热系数云图和机油域的流线，而右侧为机油域的换热系数云图和燃油域的流线图。

在仅约100mm(3.9in)高60mm(2.4in)直径的设计区域内，换热器的性能为3KW（10200Btu/Hr）

设计方法

本文的剩余部分将把重点放在先前描述功能实现的程序步骤上。

将几何结构从nTop平台导入到所选择的CFD工具的过程总结为图4。实际上，该过程由用户定义换热器的流体域并在nTop中生成流体域的体积网格，然后将这些流体的体积网格导入到CFD的工具中，应用适当的边界条件，再求解流体仿真。

图4：此流程图描述了nTop平台导入CFD

它可以用于单个或多个流体域

在导入nTop平台之前，换热器的原始设计已经在CAD软件中进行了多次迭代，其主要考虑是：最小化压降、增强流动性、引入冲击以提高换热系数，以及增材制造设计。如图5所示，高温机油进入顶部管道（1），围绕蓝色圆顶流动，进入Gyroid胞元结构（粉色圆柱体为胞元填充区域），进入内径并从底部的管道（2）流出。低温燃料从左下方进入（3），撞击出油管后进入Gyroid胞元结构，从右上角出口流出（4）。

图5中显示的CAD主体和曲面用于定义换热器的设计空间，这些空间用来填充TPMS结构。这些外壳圆顶的CAD结构是用CREO使用草绘旋转等工具建立的。

图5：机油燃油换热器的原始设计（在CREO中建模）

使用nTop平台设计换热器

当Creo中创建的CAD模型导入nTop平台时，为了正确的使用几何图形，首先要把零件转换为nTop隐式体。

nTop平台其独特的创建能力，可以创建圆柱坐标系中的TPMS结构，如图6。这有利于更广泛的换热器设计，尤其有益于流体的流动。这种独特的圆柱坐标系中的TPMS结构不同于笛卡尔坐标系中的Gyroid结构，它用于圆周连续且对称的形状。经过圆柱变化的Gyroid结构也是自支撑的，不仅适合增材制造，无需使用额外的支撑结构，而且在热效率上也有益处。

图6

使用nTop平台，设计人员可以调整TPMS生成的周向个数、径向个数和高度周期以及胞元壁厚等参数，以使Gyroid的形状满足性能要求，例如表面积和截面流动面积等。

这种几何的控制方法允许设计人员调整流体进出的方式，以最大限度的减少整体压降，同时优化换热器的系统级性能。

图7-8-10展示了如何调整胞元大小，周长数和高度周期。以实现设计整个换热器的顺畅的流体通道。

图7

图8

图9

图10

到目前为止，我们已将CAD体导入并转换为nTop隐式体并生成了流体域。换热器的下一步设计师创建挡板或分流器，用来防止两种流体的混合。一个简单的布尔相交可以实现，这一过程最主要的是创建用于与流体相交的体积，这需要设计人员建模并分配参数化控制参数。一旦完成了相交体积的创建，只需要选择希望阻挡的流体即可。大多数的相交体积是通过提取CAD面来创建的，这些面被转换为隐式体并加厚。也可以使用基本的几何体和点线面扫掠等功能创建新的几何体。拱形通道就是这么创建的。图9展示了更适合增材制造的拱形通道结构，图11展示了生成挡板的相关块和步骤。

图11

现在创建挡板的过程以及完成，需要将挡板与换热器其他的组件布尔合并。在此过程中，nTop可以为挡板和外壳合并处自动添加可调整的圆角。

导入到CFX

在验证设计这一过程中，有限元分析（FEA）和CFD通常作为模拟验证过程的一部分，在实验测试前先进行仿真评估。这一节中介绍nTop的几何数据如何导入CFD模拟。

正如之前在图4中描述的那样，现在流体域和换热器都有必要生成体积网格。网格划分是通过功能简单的块组合实现的， nTop原生的隐式体先转化为三角形面网格再转换成四面体体网格。如图13所示。

图12ANSYS Workbench的用CFD的流程图

图13展示了nTop内的网格划分过程和导出到ANSYS Fluent使用的块

网格划分完成后，体网格可以导出ANSYS Fluent的网格格式（即*.msh），并导入ICEM CFD。

ICEM是一个用于细化网格，选择边界工具的ANSYS模块。根据正在求解的物理类型，用户通常会选择CFX或者FLUENT，这两种求解器都非常出色。例如，Fluent适用于高马赫数/超音速流动，而CFX适用于涡轮机些和其他不可压缩流动模拟。为了设置和定义任何类型的计算分析，用户必须选择表面来设置边界条件。这些包括但不限于流体出入口。

再ICEM中，我们可以选择单个网格。这使得用户可以选择用于边界条件的表面。还有一个很重要的应用是用来划分边界层和细化网格。

定义边界界面并转换网格后，每个流体域都会单独导入到ANSYS CFX中。定义的面导入后，可以很方便的被识别并设定适当的边界条件。燃油和机油入口质量流量分别设置为0.45kg/s 和0.3kg/s，出口压力为0kPa。

一旦nTop平台到CFD工作流程设置完成，您可以再整个迭代过程中重复使用它。nTop的网格输出可以再ICEM中识别为设计更新，然后重新导入并重复整个CFD的工作流程。

换热器和微通道设计仿真公开课

已经证明了在 nTop 平台中生成的复杂几何图形执行 CFD 的整体可行性。nTop 平台帮助用户创建复杂的几何图形（TPMS 结构、流体体积、平滑的晶格-固体过渡），同时保持对几何模型的完全控制，然后允许用户轻松地将几何图形导出到 nTop 平台之外以进行验证和仿真。在与外部 CAE 工具集成的同时在单个工具中执行如此复杂的操作的能力是前所未有的，并且可以在复杂的几何图形上实现快速设计迭代。

为了帮助大家更好理解航空发动机换热器和微通道设计仿真，6月7日20时（周二），我们将邀请安世亚太高级工程师张亦舒老师在仿真秀和3D打印技术参考主办的《2022DfAM先进设计与制造工艺系列讲座》带来公开课《基于增材制造TPMS航发换热器和微通道设计仿真》。以下是直播安排：

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