增材制造在增强相变材料导热性能中的应用(2)

时间：2022-07-29 14:10 来源：安世亚太作者：admin 阅读：次

增材制造—TPMS胞元结构
由于增材制造技术的出现，周期性胞元结构，特别是三周期极小曲面(TPMS)引起了广泛的研究兴趣。TPMS本质上是所有点的平均曲率为零的最小曲面。TPMS结构可以用数学方法建模，并可以在三个方向上重复建模。这种模式允许TPMS胞元在三个相互垂直的方向上生长，形成TPMS胞元的3D阵列。这里值得一提的是，术语“最小表面”并不是指给定单元尺寸的结构的总表面积最小，事实上，TPMS结构的表面积显著高于Kelvin单元。这一更高的表面积有助于提高TESs系统的PCM充放热性能。
一些经典的TPMS结构是由Schwarz(Schwarz Primitive和Schwarz Diamond)最先提出的。后来，Schoen提出了其他几种TPMS结构，最著名的是Schoen Gyroid和Schoen I-graph and wrapped package-graph (IWP)。与传统的基于支撑结构的拓扑结构相比，TPMS结构表现出了优越的性能。TPMS结构的力学性能优于所测试的所有结构。TPMS已被用于支架和组织工程应用。

TPMS胞元结构对，相变材料导热性能增强作用
评价导热性能的一个指标是，相同加热时间内，PCM液相分数大小。液相分数取值范围为0~1,0为PCM完全固态，1为PCM完全液态/熔融态。对于所有的金属泡沫结构，熔化过程都得到了增强。热量从模型底部迅速传递，导致在PCM—金属泡沫结构界面熔化。此外，翅片也有助于熔化过程，从翅片-PCM界面形成的熔融PCM层可以看出。

评价导热性能的一个指标是平均HTC，对比热传导和自然对流两种情况下四类泡沫材料的平均HTC值。在纯热传导情况下，TPMS金属泡沫结构的性能明显更好，IWP的平均HTC比Kelvin单元高出50%，其次是Gyroid(46%)和Primitive(32%)。在自然对流条件下，TPMS金属泡沫结构仍表现出优于Kelvin单元的传热性能。

由增材制造方法生成的TPMS金属泡沫结构和传统金属泡沫结构相比，针对FMF-PCM系统，以PCM熔化时间和整个熔化过程中平均HTC的值为判断标准，发现增材制造方法生成TPMS金属泡沫结构在热传导(无浮力)以及基于自然对流的模拟方面优于传统金属泡沫结构。

对比三种TPMS胞元结构以及Kelvin单元。在纯导热情况下，IWP金属泡沫结构的性能最好。在自然对流条件下，Primitive金属泡沫结构表现最好。在纯传导条件下，TPMS金属泡沫结构的性能优于自然对流条件下的Kelvin单元。对于整体FMF-PCM单元，所有TPMS金属泡沫结构的增强效果仍优于Kelvin单元。
增材制造生成的TPMS金属结构可以很好的改善PCM材料导热系数低的不足，在航空航天领域，TESs系统和TMSs系统可能具有非常好的应用前景的。
文章中图片来源：《Heat transfer performance of a finned metal foam-phase change material (FMF-PCM) system incorporating triply periodic minimal surfaces (TPMS)》

作者
李权树，工学硕士，安世亚太DfAM赋能业务部流体仿真工程师。擅长一维流体系统、三维热流体仿真。目前从事换热器热流体仿真设计工作。

(责任编辑：admin)

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