威斯康星大学麦迪逊分校工程师利用 3D打印技术开发增强型热交换器

2025年5月18日，南极熊获悉，威斯康星大学麦迪逊分校的工程师团队通过结合拓扑优化和增材制造开发了一种具有扭曲微流道结构的高温热交换器，在传热、功率密度和效率方面均显著优于传统的直通道设计。随后，他们利用激光粉末床熔融金属3D打印技术对这种创新设计进行了验证。

△机械工程系教授钱小平手持团队研发的3D打印拓扑优化热交换器。摄影：Joel Hallberg。

相关研究以题为“Topology optimization, additivemanufacturing and thermohydraulic testing of high-temperature heat exchangers”的论文发表在《国际传热传质杂志》上，钱教授课题组新近毕业的博士生孙思成是《国际传热传质杂志》论文的第一作者。其他合著者包括来自威斯康星大学麦迪逊分校的Tiago Augusto Moreira、Behzad Rankouhi、Xinyi Yu和Ian Jentz。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126809

高温热交换器是许多散热技术的重要组成部分，广泛应用于航空航天、发电、工业过程和航空领域。

威斯康星大学麦迪逊分校机械工程教授钱小平说道：“传统上，热交换器通过直管来输送热流体和冷流体，主要是因为直管易于制造。但直管并不一定是冷热流体之间传热的最佳几何形状。”

增材制造技术使研究人员能够创建具有复杂几何形状的结构，从而生产出更高效的热交换器。凭借这种设计自由，钱教授着手探索热交换器内部冷热流体通道的设计，以最大限度地提高传热效率。

他充分利用了自己在拓扑优化方面的专业知识，这是一种用于研究结构中材料分布以实现特定设计目标的计算设计方法。他还采用了一项名为“投影底切周长”的专利技术，该技术将可制造性约束纳入了整体设计。

△经拓扑优化的热交换器芯体晶胞单元渲染图。优化设计包含具有复杂几何形状和表面特征的冷热流体通道。图片由钱小平提供。

有了优化的设计后，钱教授与同事、威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系教授丹·托马(Dan Thoma)合作，使用一种名为激光粉末床熔融的金属增材制造技术对热交换器进行 3D 打印。

从外观上看，优化后的换热器与采用直通道设计的传统换热器完全相同，但内部核心设计却截然不同。优化设计中的冷热流体通道相互交织，具有复杂的几何形状和表面特征。这些复杂的几何特征引导流体沿扭曲路径流动，从而增强传热效果。

合作者、威斯康星大学麦迪逊分校机械工程教授马克·安德森对优化后的换热器和传统换热器进行了热工水力测试，以比较它们的性能。优化设计不仅传热效率更高，而且功率密度比传统换热器高出27%。更高的功率密度使换热器更轻、更紧凑——这对于航空航天应用来说非常有用。

△优化换热器的核心由拓扑优化的单元构成。优化设计在传热、功率密度和效率方面均优于传统的直通道设计。图片由钱小平提供。

虽然之前的研究已经使用拓扑优化来研究双流体热交换器设计，但钱说这项工作是第一次利用拓扑优化并施加可制造性约束以确保设计能够被构建和测试。

钱教授说道：“在计算机上优化设计是一回事，但实际制造和测试又是另一回事，”。“我们的优化方法奏效了，这令人兴奋。我们能够实际制造出我们设计的热交换器。而且，通过实验测试，我们证明了优化设计的性能提升。三个研究小组的学生、博士后研究员和科学家的出色工作，使这一进展成为可能。”

钱小平是机械工程系Elmer R. 和Janet Ambach Kaiser 教授。丹·托马是材料科学与工程系教授。马克·安德森是机械工程系综合论文教授。研究人员通过威斯康星校友研究基金会为他们的投影底切周长技术申请了专利。这项工作得到了 ARPA-E 拨款 DE-AR0001475 和国家科学基金会拨款 1941206 的支持。