以多孔螺旋曲面設計熱交換器並突破其限制

2020-01-31
  • 60
  • 0

在現代飛機中,燃油大部分時間都在機翼上的管道流動,而機翼在飛行中處於冷空氣下。這可能導致其結晶並阻塞系統。為了解決該問題工程師必須設計一種可調節飛機燃燒室、機械和電氣系統溫度的合適方法。



燃油冷卻的(FCOC)熱交換器設計。圖片來自 ANSYS。

工程師可以使用燃料冷卻的油冷卻(FCOC)熱交換器在機油和燃料之間傳遞熱能,從而有效地:
• 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
 
優化 FCOC 可能是一個挑戰,因為它們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,負責優化熱交換器設計的工程師僅限於兩個選擇:
1. 最大化內壁的表面積
2. 限制內壁的厚度
傳統上,殼管式熱交換器設計是最可行的選擇,因為它們易於設計和製造。但是,工程師現在可以使用增材製造,拓撲優化和計算流體力學(CFD)來構建、成形、優化和評估以前無法生產的設計。

■ 最小的表面晶格如何提高熱交換器的性能


基於 Gyroid 內表面的熱交換器
 
工程師可以使表面積/重量比最大化的一種方法是使用 nTopology 的 nTop Platform。借助此軟件,他們可以使用三重週期性最小曲面(TPMS)生成和設計 FCOC 的內部。例如,Gyroid 是一種 TPMS,可用於定義內部體積,該內部體積會最大程度地增加表面積和強度,同時使質量最小化。使用 nTop Platform 的幾何工具,工程師能夠將熱交換器的性能比傳統幾何提高 150%。
工程師將無法使用傳統技術來製造零件。但是,他們可以使用先進的增材製造技術來構造 FCOC 的複雜形狀。為了使壁薄,工程師選擇了專門用於 3D 打印機的高強度鋁合金。這種材料的強度使他們能夠將壁厚減半,同時又保持了飛機的關鍵結構要求,例如爆破壓力。


■  CFD 仿真可預測換熱器設計的性能

在整個迭代階段,工程師使用 ANSYS CFX 評估其內部 FCOC 熱交換器設計的性能。甚至在 nTop Platform 和 CFX 之間開發了可重複的工作流程,以加快迭代速度和優化網格。通過將此工作流程與設計迭代過程相結合,工程師能夠將性能再提高 12%。


燃料區域內部的傳熱係數和油流的流線的等高線圖(左)
油域內傳熱係數和燃料流線的等高線圖(右)


資料來源:ANSYS 


 
喜歡這篇文章嗎?分享給朋友知道!