基于增材制造的換熱器

增材制造，即 3D 打印技術(shù)，是一種通過逐層堆疊材料的方式構(gòu)建物體的制造方法。熱交換器的設(shè)計通常是最大化表面積和最小化壓降之間的平衡。晶格結(jié)構(gòu)的使用被證明是增強傳熱從而提高熱交換器效率的一種可能方法。由于體積相對較小、重量輕且熱效率高，這些基于增材制造的換熱器已在航空航天、電子設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

? 增材制造換熱器優(yōu)勢：

• 高比表面積換熱：如基于極小曲面的隱式建模換熱器，能增加冷熱流體的接觸面積，從而提高換熱效率，傳統(tǒng)換熱器在有限的空間內(nèi)難以達到同等的換熱面積。
• 流場均勻性好：隱式建模的一些復雜結(jié)構(gòu)能使流體在換熱器內(nèi)的流動更加均勻，減少流動死區(qū)和渦流現(xiàn)象，讓熱量傳遞更充分、高效，傳統(tǒng)換熱器可能存在流場不均勻，導致局部換熱效率低的問題。
• 低熱阻特性：其結(jié)構(gòu)的光滑性和連通性等特點，使得熱量傳遞過程中的熱阻相對較小，能更快速地實現(xiàn)熱量的傳遞和交換。

增材制造的換熱器

顯式建模 vs 隱式建模

顯式建模

直接給出模型的具體結(jié)構(gòu)、參數(shù)或數(shù)據(jù)，通過直接給出頂點坐標、多邊形面片等幾何元素的具體位置和連接關(guān)系來表示三維模型。

如下圖的建模過程，第一步，先創(chuàng)建最基本的NURBS參數(shù)化曲面；第二步，由曲面組成一個最基本的體單元；第三步，陣列/復制體單元形成空間矩陣。當模型變得復雜，模型操作效率會顯著降低。

顯式建模過程

傳統(tǒng)的CFD仿真流程，需要導入STL面網(wǎng)格，進行網(wǎng)格清理和布爾運算，再填充體網(wǎng)格。不僅前處理麻煩，對硬件的要求也隨著模型的復雜度而急劇提高。

傳統(tǒng)CFD建模的面網(wǎng)格

傳統(tǒng)CFD建模的體網(wǎng)格

隱式建模

通過數(shù)學函數(shù)、方程或特定算法來間接定義模型。隱式函數(shù)可以看作是標量值的 3D 場，其中正值位于幾何邊界之外，負值位于幾何邊界內(nèi)，創(chuàng)建一個等值面，該等值面通過標量值等于零的所有位置。

常數(shù)等值面的隱式建模

梯度控制的隱式建模

Field控制的隱式建模

Inspire Fluid特點

• 快速設(shè)計/分析工具，Inspire集成了固體力學，流體力學和多體動力學，參數(shù)優(yōu)化等功能。
• 隱式建模和CFD前后處理統(tǒng)一在相同界面，無須導出STL。
• 基于FVM算法，全自動Voxel網(wǎng)格。
• 沉浸邊界法(Immersed Boundary), 無須布爾運算提取流體域。
• 基于Nvidia GPU加速。

Inspire Fluid圖形界面

如下圖所示，這個Inspire模型由64 x 64 x 64個Gyroid（螺旋二十四面體）構(gòu)成， Gyroid總數(shù)達到了26萬多個，包含2千萬多萬個NURBS曲面，如果是用傳統(tǒng)的顯式建模方法將會非常龐大，而Inspire可以在筆記本上就達到完全順滑的交互式操作。

Implicit Modeling支持不同的Lattice結(jié)構(gòu)，也可以進行布爾，薄壁，陣列，光順等等幾何操作。

Inspire implicit modeling

Thickness

Sizing

Layout

Domain

Shelling

Blending

Filtering

Joining

Conform

Custom Cell

普通實體 vs 隱式建模

Inspire的仿真對象可以是隱式建模和普通模型的組合，并設(shè)置不同的分析類型。

CFD

固體FEA

Inspire隱式換熱器建模步驟

雙流體換熱器的建模步驟如下：

1. 創(chuàng)建換熱器芯
2. 冷側(cè)入口擋板
3. 冷側(cè)出口擋板
4. 熱側(cè)入口擋板
5. 熱側(cè)出口擋板
6. 換熱器外殼

在Fluid仿真設(shè)置中，將換熱器芯的固體區(qū)域設(shè)置為Embedded Solid，無須提取流體域。創(chuàng)建擋板的目的是區(qū)分內(nèi)外側(cè)的通道，使得冷熱流體不摻混。

雙流體換熱器建模步驟

隱式換熱器熱仿真

隱式換熱器的外輪廓可以是任意形狀，以貼合殼體內(nèi)壁，并支持布爾運算。

Inspire Fluid隱式建模換熱器后處理

換熱器-溫度切面

換熱器-流速切面

換熱器-冷側(cè)流線

換熱器-熱側(cè)流線

換熱器-表面溫度

換熱器壓力降

冷側(cè)溫度收斂曲線（紅色-出口，綠色-入口）

熱側(cè)溫度收斂曲線（紅色-入口，綠色-出口）

入口壓力收斂曲線（紅色-熱側(cè)，綠色-冷側(cè)）

PCB板散熱器-表面溫度

單流體換熱器，例如芯片上的換熱器無須設(shè)計入/出口擋板區(qū)分內(nèi)外側(cè)。

PCB板散熱器-切面風速

電子設(shè)備隱式換熱器的設(shè)計

Inspire Fluid吸塵器模型

Inspire Fluid也可用于一般的管路內(nèi)流場和傳熱計算，設(shè)計和仿真流程高度集成，滿足產(chǎn)品快速迭代設(shè)計。

Inspire Fluid閥門建模演示模型

Inspire Fluid閥門后處理演示模型

總結(jié)

• 設(shè)計和仿真高度集成：Inspire Fluid直接在概念設(shè)計階段進行流場分析，對于隱式建模無須導出STL網(wǎng)格，打破傳統(tǒng)CAD→CFD的瓶頸。
• 參數(shù)化設(shè)計：支持對流體模型進行參數(shù)化定義，方便進行設(shè)計迭代和優(yōu)化。例如在設(shè)計換熱器時，可通過調(diào)整Lattice晶格的類型和尺寸參數(shù)，快速得到不同方案并進行對比分析。
• 探索和優(yōu)化：Design Explorer工具根據(jù)用戶設(shè)定的目標和邊界條件，對流體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，突破傳統(tǒng)設(shè)計的限制，生成輕量化且高性能的流體部件。
• 多物理場耦合：考慮流體力學與固體力學的耦合作用，如設(shè)計出的散熱器既有優(yōu)良的換熱性能，又保證結(jié)構(gòu)強度的要求。

本期的基于Inspire Fluid的隱式建模換熱器設(shè)計和熱仿真分享就到這里啦，下一期我們將分享更多實用功能，敬請期待。

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