折弯冷却流道结构及TPMS拓扑优化方法

折弯冷却流道结构及tpms拓扑优化方法
技术领域
1.本发明涉及冷却流道结构领域，具体地，涉及折弯冷却流道结构及tpms拓扑优化方法；尤其涉及高传热及低压损折弯冷却流道结构。


背景技术：

2.为了提高燃气轮机与航空发动机的热效率，提高涡轮入口燃气温度是个重要的手段。当前涡轮前燃气温度已远高于涡轮叶片所用的金属材料工作温度极限，因此涡轮叶片需要采用冷却技术以保持叶片壁面温度在许可的范围之内。折弯流道广泛应用在航空发动机和燃气轮机涡轮叶片的内部冷却结构中。折弯流道有足够的流动长度，可以尽可能地利用一定流量的流体工质的冷却/传热能力，以达到涡轮冷却目标。
3.现代大功率的电子设备工作中发出大量的热量，需要采用高效紧凑的散热或冷却器件，以维持电子设备的工作温度在许可的范围内。在这些紧凑式冷却器中，也广泛使用折弯冷却流道。
4.当前的问题：折弯流道由于折弯流动，会在隔板的端部附近产生明显的流动回流死区，产生的很大流动阻力或压损，传热强化性能也不能满足未来高效冷却性能提升的需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种折弯冷却流道结构及tpms拓扑优化方法。
6.根据本发明提供的一种折弯冷却流道结构，包括：第一流道、第二流道、第三流道、第一流动折弯、第二流动折弯、第一多孔结构以及第二多孔结构；
7.所述第一流道和所述第二流道之间通过所述第一流动折弯连通，所述第二流道和所述第三流道之间通过所述第二流动折弯连通。
8.所述第一多孔结构设置在所述第二流道内侧壁上，所述第二多孔结构设置在所述第三流道内侧壁上；
9.所述第一多孔结构靠近所述第二流道连接所述第一流动折弯一端的宽度为0.3-0.5倍的第二流道宽度；
10.所述第一多孔结构靠近所述第二流道连接所述第二流动折弯一端的宽度为0.1-0.3倍的第二流道宽度；
11.所述第一多孔结构长度为所述第二流道长度的0.5-1.0倍。
12.优选地，所述第一流道和所述第三流道分别位于所述第二流道两侧，所述第一流道和所述第二流道之间设置第一隔板，所述第二流道和所述第三流道之间设置第二隔板。
13.优选地，所述第二流道内侧靠近所述第二隔板一侧设置所述第一多孔结构，所述第三流道内侧靠近所述第二隔板一侧设置所述第二多孔结构。
14.优选地，所述第一多孔结构靠近所述第二流道连接所述第一流动折弯一端的外缘
轮廓朝所述第一隔板方向倾斜；
15.所述第一多孔结构靠近所述第二流道连接所述第二流动折弯一端的外缘轮廓朝所述第二隔板方向收缩。
16.优选地，所述第一多孔结构靠近所述第二流道连接所述第一流动折弯一端的宽度为0.3-0.5倍的第二流道宽度；
17.所述第一多孔结构靠近所述第二流道连接所述第二流动折弯一端的宽度为0.1-0.3倍的第二流道宽度；
18.所述第一多孔结构长度为所述第二流道长度的0.5-1.0倍。
19.优选地，所述第二多孔结构宽度为0.05-0.2倍所述第三流道宽度，所述第二多孔结构朝向所述第三流道远离所述第二流动折弯一侧方向延伸的宽度逐渐减小。
20.优选地，所述第一多孔结构和所述第二多孔结构的孔隙率为50％-95％，所述第一多孔结构和所述第二多孔结构的孔隙在横向和纵向上与外界连通。
21.优选地，所述第一多孔结构和所述第二多孔结构采用蜂窝状结构、点阵式结构、针肋群结构、微通道群结构或三重周期最小表面晶格结构(tpms)；
22.所述三重周期最小表面晶格结构的拓扑优化方法包括以下步骤：
23.步骤s1，通过拓扑优化生成的具有中间值的多孔区域；
24.步骤s2，将tpms填充至所述多孔区域。
25.tpms的壁厚与中间值区域的优化设计变量γ相关联，关系式为：t＝t_min+γ
×
(t_max-t_min)/(γ_max-γ_min)；
26.其中，t_max是可实现的最大加工厚度，t_min是可实现的最小加工厚度；γ_max是优化设计变量γ的最大值(通常是1.0)，γ_min是优化设计变量γ的最小值(通常是0)；
27.γ表示流体中产生新的多孔介质中间值区域的设计变量，γ值在0-1.0之间；当γ＝0，代表固体；γ＝1.0，代表流体，γ值在0-1.0之间时，介质为多孔材料。
28.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
29.1、本发明利用多孔结构提高折弯通道的传热并降低流阻，与当前的折弯冷却通道相比，获得显著提升的传热性能，并且流阻和压损更小；
30.2、多孔结构增大了传热面积，提高了总体传热与冷却性能；
31.3、多孔结构改善了折弯流道的流场，减少了流动回流死区，减少了流阻。
附图说明
32.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
33.图1为折弯冷却流道结构示意图；
34.图2为拓扑优化后在流道中产生的中间值区域；
35.图3为用tpms填充中间值区域，tpms的壁厚与γ值线性对应取值；
36.图4为tpms填充中间值区域后，折弯通道内三维冷却结构；
37.图5为tpms的多孔结构；
38.图中所示：
39.具体实施方式
40.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
41.实施例1
42.如图1所示，本实施例包括：第一流道21、第二流道22、第三流道23、第一流动折弯31、第二流动折弯32、第一多孔结构41以及第二多孔结构42；第一流道21和第二流道22之间通过第一流动折弯31连通，第二流道22和第三流道23之间通过第二流动折弯32连通。第一多孔结构41设置在第二流道22内侧壁上，第二多孔结构42设置在第三流道23内侧壁上。
43.第一流道21和第三流道23分别位于第二流道22两侧，第一流道21和第二流道22之间设置第一隔板11，第二流道22和第三流道23之间设置第二隔板12。第二流道22内侧靠近第二隔板12一侧设置第一多孔结构41，第三流道23内侧靠近第二隔板12一侧设置第二多孔结构42。第一多孔结构41靠近第二流道22连接第一流动折弯31一端的外缘轮廓朝第一隔板11方向倾斜，第一多孔结构41靠近第二流道22连接第二流动折弯32一端的外缘轮廓朝第二隔板12方向收缩。第一多孔结构41靠近第二流道22连接第一流动折弯31一端的宽度为0.3-0.5倍的第二流道22宽度；第一多孔结构41靠近第二流道22连接第二流动折弯32一端的宽度为0.1-0.3倍的第二流道22宽度；第一多孔结构41长度为第二流道22长度的0.5-1.0倍。第二多孔结构42宽度为0.05-0.2倍第三流道23宽度，第二多孔结构42朝向第三流道23远离第二流动折弯32一侧方向延伸的宽度逐渐减小。
44.第一多孔结构41和第二多孔结构42的孔隙率为50％-95％，第一多孔结构41和第二多孔结构42的孔隙在横向和纵向上与外界连通。多孔结构采用蜂窝状结构、点阵式结构、针肋群结构、微通道群结构或三重周期最小表面晶格结构tpms。
45.如图2至图5所示，三重周期最小表面晶格结构的拓扑优化方法包括以下步骤：步骤s1，通过拓扑优化生成的具有中间值的多孔区域；步骤s2，将tpms填充至多孔区域，tpms的壁厚与中间值区域的优化设计变量γ相关联，关系式为：t＝t_min+γ
×
(t_max-t_min)/(γ_max-γ_min)；其中，t_max是可实现的最大加工厚度，t_min是可实现的最小加工厚度；γ_max是优化设计变量γ的最大值(通常是1.0)，γ_min是优化设计变量γ的最小值(通常是0)，γ表示流体中产生新的多孔介质中间值区域的设计变量，γ值在0-1.0之间；当γ＝0，代表固体；γ＝1.0，代表流体，γ值在0-1.0之间时，介质为多孔材料。
46.实施例2
47.实施例2作为实施例1的优选例。
48.如图1所示，在第二流道22的沿流动方向的左侧壁面上，即第二隔板12的壁面上设置第一多孔结构41；第一多孔结构41存在于第二流道22的上下侧之间的区域中；第一多孔结构41与第二隔板12的壁面可以连接或存在间隙。在第一流动折弯31下游的第二流道22入口，存在第一多孔结构41的外缘轮廓向第一隔板11方向倾斜，并使得第二流道22入口流动渐缩，这能够消除第一隔板11端部附近的流动回流死区，从而提高传热并降低流阻。而在第二流道22的下游，第一多孔结构41的外缘轮廓向第二隔板12收缩，使得流动渐扩，可以降低流速，从而减少第二流动折弯32处产生的流动分离，有利于提高传热并降低流阻。
49.第一多孔结构41在第二流道22入口处宽度为0.3-0.5倍的第二流道22宽度，并且第一多孔结构41的宽度沿第二流道22下游逐渐收缩在第二隔板12壁面附近，第二流道22下游处的第一多孔结构41宽度为通道宽度的0.1-0.3倍。第一多孔结构41长度为第二流道22的长度的0.5-1.0倍。第一多孔结构41的孔隙率为50％-95％；靠近第二流道22的入口处的第一多孔结构41的孔隙率更小，而第二流道22的下游区的第一多孔结构41的孔隙率更大，这使得第二流道22下游区的流速得到降低，流阻降低。多孔结构中的孔隙在流向和横向方向上与外部流动区域连通。
50.在第三流道23的入口附近的第二隔板12的壁面上设置第二多孔结构42；第二多孔结构42存在于第三流道23入口左侧壁面上。第二多孔结构42宽度为第三流道23宽度的0.05-0.2倍。第三流道23的入口处的第二隔板12上的第二多孔结构42宽度较大，使得流动渐缩，并消除了第三流道23入口处、第二隔板12端部附近的流动分离死区，有利于提高传热；而沿第三流道23下游第二多孔结构42的宽度变小，流动渐扩，有利于减阻。第二多孔结构42的孔隙率50％-95％，第二多孔结构42存在于第三流道23的上下壁面之间；第二多孔结构42与第二隔板12的壁面可以连接或存在间隙。第二多孔结构42提高了传热面积并提高了传热性能，第二多孔结构42中的孔隙流动有利于降低了流阻。第二多孔结构42中的孔隙在流向和横向方向上与外部流动区域连通。
51.多孔结构可以是蜂窝状结构、点阵式结构、针肋群结构、微通道群结构或三重周期最小表面(tpms)晶格等结构稳固的多孔结构。
52.拓扑优化已成为流体和传热系统性能优化的一种先进方法，基于变密度的拓扑优化方法通过增加流体区域中的固体量，在流体区域中引入一种假想的相对密度在0到1之间的可变多孔材料，从而实现流体系统的流阻和传热性能达到预设的优化值。由于变密度方法拓扑优化具有较好的收敛性，以及对初值的依赖性不高，因此获得了广泛应用。
53.如图2所示，对流动和传热结构采用基于变密度方法的拓扑优化，将在流体中产生新的多孔介质，称为中间值区域，这个区域中的多孔材料密度介于流体和固体之间。可用γ表示该中间值区域的设计变量，因此γ值在0-1.0之间。当γ＝0，代表固体；γ＝1.0，代表流体；γ值在0-1.0之间时，该介质为多孔材料。这些拓扑优化生成的中间值区域，为不规则的多孔结构，难以生产制造加工，也难以准确描述该多孔结构特征，不能确保该多孔介质获得足够的机械强度。
54.如图3至图5所示，通过基于变密度的拓扑优化方法，获得了创新的折弯通道的特征：为了解决流体-传热-结构拓扑优化生成的复杂多孔结构难以加工制造的问题，并具有优良传热、流阻及机械强度特性，本实施例提出一种新的方法：利用tpms填充这些拓扑优化生成的具有中间值的多孔区域，并将tpms的壁厚与中间值区域的优化设计变量γ相关联。
tpms晶格结构为自支撑的多孔结构，具有高机械强度和大比表面积，并且可增材制造加工。
55.在本实施例中，当前通过激光选择熔化工艺(slm)的金属增材制造加工的最小厚度t为0.3mm，设定加工最厚壁面厚度t为1.0mm。那么γ＝0的区域对应的tpms壁厚为t＝1.0mm，γ＝0.9的区域对应的tpms薄壁厚为t＝0.3mm。因此，在拓扑优化产生的中间值区域的tpms晶格厚度变化在0.3mm到1.0mm之间，这在增材制造中可以实现。
56.通过该方法，使得拓扑优化生成的复杂不规则多孔结构可以方便制造加工，变成具有规则结构的tpms多孔晶格结构，并具有自支撑性，高强度和大比表面积，因此具有优良的机械强度，以及优良的传热和流阻性能，并实现了拓扑优化得到的复杂高价值结构可以增材制造加工。
57.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
58.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。