《Applied Thermal Engineering》：Impact of geometric complexity on Thermo-hydraulic performance of additively manufactured pin-fin arrays
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本研究通過實驗探究增材制造復雜Pin-Fin陣列的熱流體性能，采用八種幾何設計，通過CT掃描分析制造偏差，測試Re數(shù)5000-40000下傳熱效率（Q）達84%提升，摩擦因子降低52.2%，驗證了復雜幾何在高效散熱中的應用價值及AM制造的可行性。
埃文·米哈爾科（Evan Mihalko）|肯尼斯·羅澤爾斯基（Kenneth Rozelsky）|本杰明·比扎克（Benjamin Bizzak）|阿比蓋爾·奧爾特蘭德（Abbigail Altland）|斯蒂芬·林奇（Stephen Lynch）|阿姆里塔·巴薩克（Amrita Basak）
賓夕法尼亞州立大學機械工程系，美國賓夕法尼亞州大學公園市16802
摘要
本研究通過實驗探討了增材制造的針翅陣列的幾何復雜性對其熱液壓性能的影響。選擇了八種設計，每種設計代表了由新引入的復雜性參數(shù)定義的不同復雜程度，并使用激光粉末床熔融增材制造技術進行了制造。制造完成后，通過計算機斷層掃描（CT）對樣品進行了全面表征，以了解設計意圖與實際制造結果之間的差異。研究發(fā)現(xiàn)，該復雜性參數(shù)能夠準確反映各種設計之間的優(yōu)劣順序。實驗涵蓋了雷諾數(shù)從5000到40,000的范圍，量化了關鍵的熱流體力學指標，包括針翅傳熱系數(shù)（Q）、壓降（ΔP）、摩擦系數(shù)（f）、努塞爾特數(shù)（Nu）和效率指數(shù)（η）。所有陣列在傳熱系數(shù)（Q）和壓降（ΔP）方面均優(yōu)于圓柱形參考設計，其中最佳設計的改進幅度分別為84%和76%。低復雜度陣列的摩擦系數(shù)降低了最多52.2%，而高復雜度陣列盡管鰭片數(shù)量更多，但由于其有利的形狀特征仍保持了較低的阻力。陣列復雜度的增加略微降低了努塞爾特數(shù)，這表明在液壓效率和傳熱增強之間存在權衡。總之，這些發(fā)現(xiàn)突顯了利用增材制造技術實現(xiàn)復雜針翅幾何形狀的優(yōu)勢，而這些形狀使用傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)。
引言
航空工業(yè)面臨著對更高燃油效率、更低運營成本和更低環(huán)境影響的日益增長的需求，這推動了飛機發(fā)動機技術的快速發(fā)展。現(xiàn)代燃氣輪機通過熱力學優(yōu)化、先進材料和空氣動力學改進實現(xiàn)了更高的性能。提高效率的主要途徑之一是提高渦輪入口溫度，從而通過增加單位熱輸入的工作輸出來提升循環(huán)效率[1]。為了承受這些高溫，渦輪葉片采用單晶鑄造制造，優(yōu)化了材料的微觀結構以增強耐高溫性能[2]。此外，還在葉片表面涂覆了隔熱涂層，使其能夠在不超過材料極限的情況下在高溫下運行[3]。
然而，僅靠材料和涂層的進步不足以在極端工作條件下保持結構完整性；因此，先進的冷卻策略至關重要。諸如薄膜冷卻和內部對流冷卻等技術被廣泛用于控制金屬溫度并延長組件壽命[4]、[5]、[6]。特別是渦輪葉片的后緣，由于承受高熱流且冷卻表面積有限，是熱管理的關鍵區(qū)域。針翅在這些區(qū)域被戰(zhàn)略性地使用，以促進流體混合并在高熱和機械載荷下保持結構完整性[7]、[8]。歷史上，制造限制使得針翅幾何形狀只能采用簡單的圓柱形，以平衡可制造性和性能[9]。金屬增材制造（AM）的出現(xiàn)消除了這些限制，使得能夠制造出具有定制冷卻特性的復雜內部幾何形狀。這一能力有助于設計出旨在最大化傳熱同時最小化壓降的非傳統(tǒng)針翅陣列，從而最終改善后緣的總體熱液壓性能。
盡管之前的關于AM針翅陣列的實驗研究主要集中在簡單的幾何變化上，如三角形、菱形或標準圓柱形，但對高度復雜、經過優(yōu)化的陣列的系統(tǒng)性探索仍然有限。計算研究表明，增加幾何復雜性可以提高熱液壓效率，但這些預測的實驗驗證仍然不足。在此背景下，本研究通過實驗評估了通過先前的計算優(yōu)化框架確定的復雜針翅設計，填補了這一關鍵空白[10]。與傳統(tǒng)的參數(shù)化或啟發(fā)式優(yōu)化方法不同，所采用的框架在不預先設定幾何形狀的情況下探索了廣泛的設計空間，從而發(fā)現(xiàn)了使用傳統(tǒng)方法難以發(fā)現(xiàn)的高性能配置。
本研究評估了八種此類優(yōu)化針翅陣列的熱液壓性能，并與基準圓柱形陣列進行了比較。每種設計都是使用激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造技術制造的，高分辨率計算機斷層掃描（CT）用于精確量化和表征實際制造的幾何形狀。實驗測試涵蓋了不同的雷諾數(shù)范圍，評估了關鍵性能指標，包括傳熱系數(shù)（Q）、壓降（ΔP）、摩擦系數(shù)（f）、努塞爾特數(shù)（Nu）和針翅效率指數(shù)（η）。雖然主要目的是評估優(yōu)化設計的性能并驗證優(yōu)化框架的有效性，但數(shù)值預測與實驗結果之間的比較也為制造變異性、表面粗糙度和幾何復雜性在熱液壓性能中的作用提供了額外的見解。為了指導這項研究，提出了三個主要問題：
1.是否存在一個能夠對不同設計進行排序的復雜性參數(shù)？
2.這些制造的針翅設計是否表現(xiàn)出相對于傳統(tǒng)圓柱形陣列所預測的更優(yōu)越的熱液壓性能？
3.增加的幾何復雜性是否能夠帶來可測量的性能優(yōu)勢，從而支持在先進渦輪葉片冷卻應用中使用復雜的L-PBF制造幾何形狀？
通過結合先進的優(yōu)化技術、增材制造、基于CT的表征方法和高保真度實驗驗證，這項工作不僅證明了復雜針翅陣列的實際可行性，還提供了關于幾何復雜性、制造變異性和熱液壓性能之間相互作用的關鍵見解。這些結果表明，優(yōu)化后的AM陣列可以實現(xiàn)比簡單幾何形狀更高的性能提升，同時也強調了結合數(shù)值分析和實驗分析以發(fā)現(xiàn)下一代渦輪冷卻系統(tǒng)新設計原則的價值。
文獻綜述
針翅陣列因其顯著提高對流傳熱的能力，被廣泛應用于高性能換熱器和各種行業(yè)的內部冷卻通道中，例如航空航天[11]、[12]、[13]、發(fā)電[14]、[15]和半導體冷卻[16]、[17]。通過破壞邊界層并促進二次流動結構，針翅增加了表面積與體積的比率，從而改善了熱傳輸效果。
樣品設計
總共制造了九個樣品：一個作為參考案例的圓柱形針翅陣列，以及八個具有不同幾何形狀和陣列配置的獨特設計[10]。包含圓柱形陣列是為了為評估復雜配置的相對性能提供一個基準。所有設計都是根據(jù)之前研究[23]中建立的實驗領域開發(fā)的，并被制成與實驗設置一致的樣品。
使用CT對樣品進行表征
圖4展示了REF（圖4(a)）和兩種復雜設計A和C（圖4(b)和4(c)）的設計圖紙與實際制造后的針翅幾何形狀的代表性橫截面圖像。在所有樣品中都觀察到了一致的幾何偏差，尤其是在針翅的無支撐區(qū)域。熔池在底部的積聚導致沿針翅前緣方向的伸長和形狀變形，使得實際尺寸超過了設計值。
結論
本研究通過實驗評估了八個復雜的針翅陣列，以及一個來自先前數(shù)值優(yōu)化研究的圓柱形參考設計。每種設計都是使用L-PBF增材制造技術制造的，高分辨率CT用于量化并表征實際制造的幾何形狀，驗證了設計的準確性并識別了表面特征或變形。基于觀察到的幾何復雜性，引入了一個ACI（Architecture Complexity Index）來對設計進行排序，并將幾何復雜性與制造準確性相關聯(lián)。
關于寫作過程中生成式AI和AI輔助技術的聲明
在準備這項工作時，使用了OpenAI ChatGPT來改進語法和可讀性。
資金支持
本材料基于NASA航空研究任務理事會（ARMD）大學領導計劃（ULI）的支持，合作協(xié)議編號為80NSSC21M0068。本材料中表達的任何觀點、發(fā)現(xiàn)、結論或建議均為作者個人觀點，不一定反映國家航空航天局的立場。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能影響本文所述工作的競爭性財務利益或個人關系。
致謝
作者感謝賓夕法尼亞州立大學定量成像中心的安德魯·羅斯（Andrew Ross）進行了所有用于分析測試樣品的CT掃描。同時感謝3DSystems和MicroCut在打印和加工AM樣品方面提供的幫助。
