算法驱动的设计范式，带来与大自然结构媲美的仿生设计热交换器

时间：2021-12-11 20:17 来源：3D科学谷作者：admin 阅读：次

热交换器对设备可以长效稳定运行起到了关键的作用。增材制造-3D打印用于热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势。特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。

在实践中，怎样激发增材制造技术的潜能，开发出具有更高性能的新一代热交换产品，是3D打印热交换器赢得市场的关键因素之一。传统设计思维与设计方式，难以满足增材制造技术驱动的新一代热交换器。

根据3D科学谷的市场观察，与热交换器增材制造-3D打印技术共同进化的，还有热交换器的设计范式。通过算法工程快速自动生成的热交换器设计技术，正与增材制造技术进行融合，以智能化的方式驱动下一代热交换产品应用发展。

从向日葵中获得设计灵感的热交换器
© hyperganic

专注于实现设计目标

大自然为我们提供了关于热交换如何控制某些自然结构生长方式的宝贵见解。举例来说，一些动物的循环系统和呼吸系统具有逆流配置，这些结构使得动物在极端环境中保持最佳体温和体液水平。

与大自然经过多代进化选择出来的结构相比，人类设计的热交换结构通常显得苍白无力。传统常见的管壳式、板翅式热交换器的设计，将难以满足未来的机械、电子产品的散热需求。

增材制造-3D打印技术，为人类制造复杂、仿生结构带来了便利性。针对热交换领域而言，增材制造技术为更有效地热能传递结构带来了机遇，这就是为什么我们可以看到目前机械、电子产品企业正在开发更复杂，重量更轻，尺寸更小的3D打印热交换产品。

但是怎样向大自然进化出的优异热交换系统看齐，针对3D打印技术灵活设计和批量生产热交换器呢？

用算法工程实现愿景

Hyperganic 与通快集团（Trumpf）合作开发了一个自动化工作流程，该工作流程基于自然界中的物理原理，通过算法设计热交换器。

在该合作中，自动化工作流程开发的热交换器将应用于工业级金属3D打印设备中。增材制造过程中需要使用保护气体，如果保护气体具有过多热量，将会影响金属3D打印质量，这个热交换器的作用是冷却保护气体。

首先，在 Hyperganic 核心（Hyperganic 的算法工程软件平台）上使用数学和物理模型制定设计目标。这些目标包括最大化热效率、最小化热流体压降、恒定流速和最小化长度。

使用这种算法驱动的软件范式进行设计的好处在于，设计开发人员可以通过所有相关换热器设计的更高层次的思维专注于实现目标，而不会因为确认一个特定设计中的细节而耗费精力。

然后，特定热交换器将在其中运行的环境中确定上述设计目标，这也决定了它的外观。在该案例中，设计师定义了目标体积的边界条件，输入直径必须为 50 毫米，氩气作为保护气体，水作为冷却介质。

对于热交换器中管道的“增长”策略，设计师选择了分形分支。选择这种设计的原因是它很简单，其性能的变化，如压降，易于通过算法工程模型中参数的相应变化来解释。例如，如果遇到压降太高的情况，工作流程将直接转化为可操作的设计方向，比如说减少热交换器中的分支、增大分支或者是增加换热器总横截面。

为了在圆内获得最多数量的等距点，设计师从植物、花卉或水果的循环结构和形式中发现的斐波那契数列（Fibonacci sequence）中获得灵感。在该案例中，热交换器管道的展开方式与向日葵在其核心处排列种子的方式非常相似。

接下来，将等距点分布聚类并捆绑到主要的父分支中，这个过程是一个阶段性的过程，直到到达只有一个点的进口。然后使用该数据结构在各个阶段发送样条曲线。在给样条曲线一个厚度并它们变为中空后，由此就获得了一个通过算法设计的热交换器。

算法驱动的新一代热交换器设计，还能够进行产品的快速迭代。将热交换结构分支级数和管道直径等关键设计元素转化为参数，以便一次生成多个设计。然后将可以高效地创建在给定环境中性能最佳的热交换器。

Hyperganic 通过算法设计的热交换器的表面积是相同尺寸的圆柱形管的 14 倍。在几次设计迭代后达到了压降目标，并且整体热交换性能超过了初始目标。为工业级金属3D打印机开发的热交换器案例，是这套算法驱动的热交换器工作流程能够实现的其中一种产品。该工作流程中的热交换器算法，也可被用于开发其他具有热交换特性的结构。随着这种新的热交换器设计范式的应用积累，更多的算法构建块将重新组合并演变成更加复杂、可持续和功能性更强的产品设计方案。增材制造、算法、智能化的设计方法，共同促进着人们获得与自然界相媲美的优异热交换结构。

(责任编辑：admin)

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