全文5200字，阅读需9分钟。本文讲Baker Hughes与ToffeeX用拓扑优化+3D打印开发双流体换热器。
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AM易道导语：
继上次分享ToffeeX针对于拓扑优化在热管理在通信以及燃料电池领域所作的研究案例分享后，今日继续分享其设计的双流体换热器应用。
AM易道是Formnext Asia的战略合作媒体，但可惜无法前往Formnext德国展会深入了解ToffeeX这家企业，请有兴趣的读者前往交流，并欢迎向AM易道分享其最新展示成果。
本文的部分技术内容来自于某会议报告：
突破传统约束的换热器
在工业系统中，换热器堪称"心脏"级别的关键部件。
无论是燃气轮机的轴承润滑系统，还是大型压缩机的冷却回路，高效可靠的换热器都扮演着不可或缺的角色。
然而，传统的壳管式或板翅式换热器设计已经难以满足日益提升的性能需求。
在这样的背景下，能源技术巨头Baker Hughes联手拓扑优化软件公司ToffeeX，开启了一项雄心勃勃的研究计划 - 开发一款基于金属增材制造的高性能双流体换热器。
Baker Hughes作为一家拥有超过120年历史的能源技术公司，是全球最大的油田技术服务提供商之一。2023年，该公司实现营收243亿美元，在能源装备和服务领域居于全球领先地位。
这个项目的目标并不仅仅是对现有产品的简单改良，而是希望通过拓扑优化与增材制造的深度结合，实现换热器设计方法的革命性突破。
让我们先来看看这个项目面临的核心挑战。
首先是物理问题的复杂性：
在双流体换热器中，两种不同的工质（在这个案例中是油和空气）需要在互不混合的情况下实现高效传热。
这就要求优化算法能够同时处理流体动力学和传热学的耦合问题，并保证两种流体的完全分离。
其次是增材制造的工艺限制：
金属粉末床融化技术（L-PBF）虽然能够制造复杂结构，但悬垂角度、最小特征尺寸等约束条件必须在设计阶段就充分考虑。
为了应对这些挑战，研究团队开发了一套创新的设计方法。
在拓扑优化方面，他们构建了一个多目标优化模型，将压降最小化和传热效率最大化作为优化目标。
在制造工艺方面，研究团队选择了EOS M400粉床机作为制造平台。这台设备拥有400×400×400mm的成型空间，能够满足换热器核心部件的一体化制造需求。
团队还通过精心的工艺参数优化，成功解决了大尺寸薄壁结构的变形控制问题。
这个项目最令人瞩目的创新点在于其完整的数字化设计理念和流程。
从初始概念设计到最终的工艺优化，每一个环节都充分利用了数字工具的优势。
AM易道认为，这是一整套新方法论, 让我们来看看技术细节。
拓扑优化的突破性应用
在深入技术细节之前，我们先来理解为什么传统换热器设计方法难以突破性能瓶颈。
无论是壳管式还是板翅式换热器，其设计思路本质上都是基于经验公式和参数化模型。
这种方法虽然可靠，却很难找到真正的最优解。
而AM易道曾在各类文章都多次提到，拓扑优化则完全不同—它能够在给定的设计空间内，自由地"生长"出最优的材料分布。
在这个项目中，研究团队建立了一个极其精巧的数学模型。
让我们用通俗的语言来理解这个模型的核心思想：
想象你有一个装满积木的盒子，需要用这些积木搭建一个迷宫，让两种不同颜色的小球可以在迷宫中高效流动并实现热量交换，同时还要确保两种小球永远不会混在一起。
这就是双流体换热器拓扑优化要解决的问题。
具体到数学表达，优化目标函数包含三个关键部分：
油路的压力损失
空气路径的压力损失
两种流体之间的传热量
让我们来看看优化算法的初步成果。
如下图所示，研究团队首先在一个简单的立方体设计域内进行了概念验证。
这个初步的结果展现出了令人惊叹的生物仿生特征—复杂的褶皱结构极大地增加了传热面积，同时流体通道的形状也呈现出类似血管网络的分布特征。
请仔细观察上图中展示的四个不同权重下的优化结果，我们可以清晰地看到结构是如何随着热传递需求的增加而逐渐演化的：
从简单的平行板到复杂的网络结构，每一步演化都在试图在压降和传热效率之间找到最佳平衡点。
然而，这个初步方案存在一个关键问题—制造难度太大。
就像上图所示的那样，当研究团队引入45度悬垂角约束后，优化结果发生了显著变化。
新的结构虽然没有之前那么"自由"，但依然保持了较高的传热效率，更重要的是，这个结构是可以被金属3D打印技术可靠制造的。
AM易道认为，这种理论与实践的反复迭代恰恰体现了产品创新的方法论：不是简单地追求理论上的极限性能，而是要在技术可行性和性能提升之间找到最佳平衡点。
设计方法的突破性创新：从周期单元到整体式设计
在确立了基础的优化方法后，研究团队面临一个关键的策略选择：
是采用周期性单元的设计方法，还是尝试整体式的优化策略？这个选择直接关系到最终产品的性能和可制造性。
周期单元设计：自然界的启示
大自然总是最好的老师。
如果我们仔细观察蝴蝶翅膀或者细胞膜的微观结构，会发现它们往往由周期性的基本单元构成。
研究团队在第一阶段采用了类似的思路，尝试设计一个高效的周期性单元，然后通过重复排列来构建整个换热器核心。
上图展示了这种方法的演化过程。从简单的平板分隔（b）到管状结构（c），再到类似多孔介质的复杂网络（d），最后发展出具有高度复杂性的生物仿生结构（e）。
每一步演化都伴随着传热性能的提升，但压力损失也随之增加。
这个过程生动展示了换热器设计中永恒的矛盾：如何在传热效率和流动阻力之间取得最优平衡。
研究团队最终选定了一个相对均衡的方案（如下图所示）。
这个周期单元既保持了较高的传热面积，又避免了过度复杂的结构。
通过CFD仿真分析，团队预测使用12×12×4的单元阵列就能达到目标换热量。
转向整体式设计：突破周期设计的局限
然而，周期单元方法存在几个个根本性问题：
温度场适应性差
在实际换热器中，不同位置的温度差异很大
周期单元的统一结构无法针对这种差异进行优化
这导致整体换热效率低于理论预期
流动分配不均匀
实际工况下，流体在进入周期结构前就已经产生分布不均
单元之间的流动干扰会进一步加剧这种不均匀性
这些效应都无法在单个单元的优化中考虑
系统集成困难
周期单元方法无法解决进出口歧管的设计问题
歧管与周期结构的接口处容易形成性能瓶颈
制造和装配复杂度大幅增加
这促使研究团队转向了更具挑战性的整体式设计方法。
然而，这个概念方案还存在三个关键问题：
一个是进出油口结构过于复杂，每边各有24根管道，这不仅增加了制造难度，更带来潜在的可靠性风险。
第二轮迭代：走向实用
重新设计了设计域布局：
缩减整体尺寸，确保一体化打印可行
简化了进出油口设计，将油路入口和出口布置在同一侧 在每个切片中增加了固定壁，为后续制造提供天然支撑
引入了严格的制造约束：
所有悬垂结构必须满足45度支撑角要求
设定1.5mm的最小壁厚限制，确保结构强度和密封性 优化支撑结构布局，降低后处理难度
以及将整个结构划分为五个功能区域：
这种分区设计在保持优化自由度的同时，提供了更好的流动控制，使得每个区域可以根据局部流动和传热特征生成不同的结构形态；而且区域之间的过渡更加平滑，减少了局部压降。
这些改进的成果如下图所示。虽然结构看起来比第一轮方案简单许多，但其实是一个更加成熟的设计：
流道布局更加规整，但仍保持了高效的传热特征 壁厚分布更加均匀，提高了制造可靠性 支撑需求大大减少，降低了后处理工作量
AM易道认为，这个迭代过程完美诠释了工业创新的精髓：
不是简单追求理论极限，而是要在性能、可制造性和可靠性之间找到最佳平衡点。
每一次改进都是在前一代经验基础上的系统优化，最终才形成了一个真正可实现的创新方案。
进出口歧管的巧妙设计
在开始核心部件制造之前，研究团队还需要解决一个关键问题：如何设计高效的进出口歧管？
这绝非简单的管道连接，而是直接影响整个换热器性能的关键环节。
特别是进油歧管的设计极具挑战性。
如上两张所示，设计团队需要将一个相对较小的进油管（图中（a）的左上角以及图中b的右侧）中的流体均匀分配到五个较大的核心区域。
这种强扩张流动很容易导致分离和回流，必须通过精心的流道设计来避免。
研究团队采用了一种独特的拓扑优化方法：通过在特定区域预设目标速度分布，引导优化算法生成理想的流道形态。
从上图可以清晰看到，优化后的结构巧妙利用了翼型构件来调节流动，确保每个模块都能获得均匀的流量分配。
更值得称道的是，设计过程中始终考虑了45度支撑角的制造约束，这在复杂的歧管结构中实属不易。
开始3D打印！
当所有设计完成后，团队使用EOS M400进行整体打印。
使用光学扫描技术对打印件进行测量（下图），研究团队发现了一些3D打印使用的常规问题：
材料收缩引起了尺寸偏差，关键区域壁厚的实际尺寸有所波动。
上图清晰地展示了名义壁厚和实际壁厚之间的差异。这些误差范围常见于实际增材制造过程，并不影响其实现整体设计目标。
性能突破：远超传统设计
最令人振奋的是最终的性能测试结果。
与传统设计相比，这款经过拓扑优化的换热器在保持相同换热量（约14kW）的同时，将油路压降从1.2bar降低到了不足0.1bar！
在传统的翅片式换热器中，油需要在带有扰流片的5/8英寸管道中高速流动，这必然带来巨大的压力损失。
而拓扑优化设计则另辟蹊径，通过优化流道横截面，将油侧流速控制在约0.001m/s的低速范围，既确保了充分的传热，又最大限度地降低了压力损失。
AM易道认为，这个项目最大的启示在于它展示了增材制造、拓扑优化和传统工程经验相结合的威力。
通过数字化工具的赋能，工程师们不再受限于传统设计方法的桎梏，而是能够探索全新的设计空间，创造出真正革命性的产品。
但这需要解决高反射率金属的激光工艺难题。从AM易道了解的行业动态来看，包括希禾、通快、EOS都有整体方案，而IPG、创鑫等各类上由激光器企业都在试图提供适合铜的新型光源方案。
如果读者对拓扑优化在热管理方面应用有更多见解或者应用设想，欢迎在评论区或者在25年的TCT在展会现场与我们交流讨论。
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