И они использовали инновационную технологию для 3D-печати - и тестирования - металлического доказательства концепции.

Высокотемпературные теплообменники являются важными компонентами многих технологий рассеивания тепла, которые применяются в аэрокосмической промышленности, производстве электроэнергии, промышленных процессах и авиации.

"Традиционно теплообменники пропускают горячую и холодную жидкость по прямым трубам, главным образом потому, что прямые трубы просты в изготовлении", - говорит Сяопин Цянь, профессор машиностроения Калифорнийского университета в Мэдисоне. "Но прямые трубы не обязательно являются наилучшей геометрией для передачи тепла между горячими и холодными жидкостями".

Аддитивное производство позволяет исследователям создавать конструкции со сложной геометрией, которые могут обеспечить более эффективные теплообменники. Учитывая такую свободу проектирования, компания Qian задалась целью разработать конструкцию каналов для горячей и холодной жидкости внутри теплообменника, которая позволила бы максимально увеличить теплопередачу.

Он использовал свой опыт в оптимизации топологии - подходе к вычислительному проектированию, используемом для изучения распределения материалов в структуре для достижения определенных целей проектирования. Он также применил запатентованную технологию, называемую проектируемым периметром подрезки, которая учитывает ограничения технологичности при разработке всего дизайна.

Имея в руках оптимизированный дизайн, Цянь работал с коллегой Дэном Томой, профессором материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Мэдисоне, который руководил 3D-печатью теплообменника с использованием технологии аддитивного производства металла, называемой лазерным сплавлением в порошковом слое.

Снаружи оптимизированный теплообменник выглядит идентично традиционной версии с прямолинейным каналом, но их внутренняя конструкция разительно отличается. Оптимизированная конструкция имеет переплетающиеся каналы для горячей и холодной жидкости со сложной геометрией и сложными особенностями поверхности. Эти сложные геометрические элементы направляют поток жидкости по извилистой траектории, что улучшает теплопередачу.

Соавтор Марк Андерсон, профессор машиностроения Калифорнийского университета в Мэдисоне, провел теплогидравлические испытания оптимизированного теплообменника и традиционного теплообменника, чтобы сравнить их производительность. Оптимизированная конструкция позволила не только более эффективно передавать тепло, но и обеспечить удельную мощность на 27% выше, чем у традиционного теплообменника. Такая более высокая удельная мощность позволяет теплообменнику быть легче и компактнее - полезные свойства для аэрокосмического и авиационного применения.

Команда подробно описала свои результаты в статье, опубликованной 19 февраля 2025 года в Международном журнале тепло- и массопереноса.

В то время как предыдущие исследования использовали оптимизацию топологии для изучения конструкций двухжидкостных теплообменников, Цянь говорит, что эта работа является первой, в которой используется оптимизация топологии и накладываются ограничения на технологичность, чтобы гарантировать возможность создания и тестирования конструкции.

"Оптимизировать дизайн на компьютере - это одно, но на самом деле создать и протестировать его - совсем другое", - говорит Цянь. "Отрадно, что наш метод оптимизации сработал. Мы смогли фактически изготовить нашу конструкцию теплообменника. И в ходе экспериментальных испытаний мы продемонстрировали повышение производительности нашей оптимизированной конструкции. Отличная работа, выполненная студентами, аспирантами и учеными в трех исследовательских группах, сделала этот прогресс возможным".

Сиченг Сун, недавний аспирант исследовательской группы Цяня, является первым автором статьи в Международном журнале тепло- и массообмена. Среди дополнительных соавторов - Тиаго Аугусто Морейра, Бехзад Ранкоухи, Синьи Ю и Ян Дженц, все из Калифорнийского университета в Мэдисоне.

Исследователи запатентовали свою технологию проектируемого подрезания периметра через Исследовательский фонд выпускников Висконсина.

Эта работа была поддержана грантом ARPA-E DE-AR0001475 и грантом Национального научного фонда 1941206.