熱交換器的熱學問題非常複雜且難以解決。因此，需要進行許多嘗試和努力來實現能夠表現出更高效率和環保性能的輕質、經濟高效的換熱器。這些用於熱交換器設計和開發的傳統方法既耗時又昂貴。特別是 CFD 仿真，已成為一種經濟高效的方案，可在換熱器 的設計階段提供快速解決方案。CFD軟體用途廣泛，可用於預測換熱器的性能、識別潛在問題的區域以及優化換熱器的設計。市場上存在許多建模軟體可用於熱分析，並且已經開展了大量工作來研究和分析模型的行為，以預測和優化換熱器的熱交換性能。
結合《Additive manufacturing of heat exchangers in aerospace applications: a review》這篇論文，3D科學谷將分享航空航天應用中熱交換器3D列印的建模與仿真技術進展。
用於航空發動機的傳統換熱器
Meggitt Plc.
根據3D科學谷，長期以來，傳統的建模方式和無法實現複雜幾何形狀的製造工藝，制約著熱交換器設計與效率的突破，而面向增材製造的高性能複雜幾何結構，以及高強度鋁合金3D列印材料，為熱交換器設計的突破帶來了新的可能性。
使用優化設計3D列印生產的新型換熱器。a) 3D列印的換熱器（ Mott Corporation ），b) 3D列印的整體式換熱器（ Stratasys ），c) 新一代傳熱組件（ Hyperganic）。
/現狀及未來方向
換熱器的CFD模擬中最重要的挑戰之一是準確預測流場，通常是湍流和三維流場。另一個挑戰是準確預測傳熱率。換熱器 中的傳熱速率受到多種因素的影響，包括流動條件、幾何形狀和流體特性。商用軟體使用不同的方法來求解控制這些屬性，但預測所有因素並不總是可以實現，並且可能導致換熱器屬性預測出現錯誤。
過去二十年來，人工智慧（AI）在控制系統中的使用變得越來越重要。基於人工智慧的技術可用於提高控制系統的性能，使其更加高效和可靠。還可用於開發傳統方法無法實現的新型控制系統。人工智慧和計算機科學模型，例如機器學習，可用於研究熱交換器的性能，避免實驗和耗時的計算方法。這些方法能夠做出準確的預測並且相對較快，使其成為工程師的寶貴工具。
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利用人工智慧技術和機器學習來預測和控制換熱器的性能是一個有前途的研究領域，有可能改善換熱器的設計、操作和效率。大量研究正在使用人工智慧（AI）技術來預測和控制換熱器的性能。人工智慧技術可用於開發模型來預測換熱器在不同操作條件下的性能。大量的信息可用於優化熱交換器的設計並提高其效率。還可用於開發控制系統，自動調整換熱器的運行條件，以確保它們以最佳性能運行。
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換熱器建模和仿真的最新技術正在不斷發展，新的模型和算法不斷被開發和更新，以實現對熱設備性能的更準確和詳細的預測，並簡化換熱器中流體流動和傳熱的仿真工具。
/增材製造領域的熱管理優化工具
AM-增材製造技術的引入增加了拓撲優化和仿真軟體等軟體工具的使用，以增強換熱器的散熱性能。其結果是一種結構設計能夠承受運行階段施加的負載，最大限度地減少零件所需要的材料。拓撲優化和CFD軟體被引入到高性能、輕型和多功能結構的設計階段，目前廣泛已經被應用於航空航天、汽車等領域的增材製造零件設計。
拓撲優化結構通常具有複雜的幾何配置的特點，因此，傳統工藝（例如機械加工、鑄造）不適合其製造。增材製造能夠實現輕質結構的自由設計以及一步步製造高度複雜的內部幾何形狀，這是傳統製造方法難以或不可能實現的，不過由於存在典型的增材製造缺陷，例如氣孔和缺乏熔合，為了使增材製造成為工業用換熱器的可靠製造方法，仍需要克服重大工藝限制。
拓撲優化的使用有可能對熱交換器 (換熱器) 的設計產生重大影響，為提高換熱器應用中的效率和性能提供了超越傳統製造方法所能實現的機會。換熱器優化的主要目標是最大化熱效率和最小壓降，同時保持緊湊的尺寸和重量。此外，近幾十年來，更強大的有限元和計算流體動力學（CFD）的軟體允許引入一些方法，這些方法與拓撲優化一起保證了換熱器設計優化的整個決策階段的整體性。
形狀和特徵優化算法的應用使得換熱器的設計過程直觀，有助於研究最佳解決方案。遺傳算法旨在通過在遵守設計約束的同時最大化總表面積來提高熱效率。這種算法新開發的換熱器 的幾何形狀超越了傳統製造方法的限制，並可以通過L-PBF基於粉末床的金屬熔融3D列印技術來完成，材料選擇鋁合金。通過將增材製造的換熱器與商用的傳統方法製造的管狀換熱器進行比較，實驗分析表明新優化的換熱器的整體性能有了顯著改善。
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此外，與專為實現更高傳熱效率而設計的管殼式和釺焊板配置等傳統熱交換器相比，優化後的3D列印換熱器表現出增強的性能。性能的增強可歸因於其內部架構，這是使用傳統設計和製造方法無法實現的。
由Temisth、AddUp和 Sogeclair開發的一個典型案例代表了3D列印的突出優勢。該項目 通過CFD模型研究緊湊型空油換熱器的拓撲優化組件的熱效率，所選材料為 Inconel 718，這種材料比鋁合金等其他合金更重且導電性更差。通過增材製造這種材料如何能夠創建排除泄漏缺陷的薄壁特徵來證明3D列印的合理性。
圖：新型換熱器 的拓撲優化和 CFD 分析。a) 增材製造的部件；b) CFD 分析的邊界條件；c) CFD 數值方法的各個階段。
另外一個典型案例（如圖所示）製造並測試了使用陀螺晶格結構的新一代液-液換熱器，以證明增材製造能夠創建以薄特徵為特徵的複雜幾何形狀。
圖：新一代優化 換熱器 的熱方面優化分析示意圖
換熱器經證明具有防漏性能，凸顯了 AM-增材製造工藝生成厚度為 300 μm 的薄壁的可行性。此外，與傳統的 換熱器 相比，新設計的熱效率顯著提高。