表面粗糙度对Schwarz-D型三周期极小曲面点阵结构热行为的影响

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Effect of surface roughness on the thermal behavior of Schwarz-D TPMS lattice structures

　　

研究人员指出，人工表面粗糙度会诱导局部对流换热系数（convective heat transfer coefficient）集中现象，且粗糙度幅值参数与空间波数越大，集中效应越强。流线分析显示人工表面粗糙度对主流结构影响可忽略。在W10A005构型中，其有效性（effectiveness）略高，且随流速增大优势更明显；而在Colburn因子jhot与性能评价准则jhot/fhot1/3方面，W0A00构型表现最优。该研究采用基于扰动的模型引入人工表面粗糙度以复现增材制造（additive manufacturing, AM）固有表面不规则性，通过对标准Schwarz-D隐式函数修正，设计三种不同粗糙度构型（W10A0025、W10A005、W20A0025）并与标准光滑构型（W0A00）对比，经数值分析考察粗糙度对Schwarz-D结构热工水力性能的影响。结果表明，表面粗糙度在增强传热的同时会增加压降，其综合性能优劣取决于具体构型与运行条件，为基于Schwarz-D的换热器热性能预测提供了设计指导。

研究背景方面，换热器作为能源管理系统的核心部件广泛应用于加热冷却与热能回收，增材制造技术拓展了复杂结构设计空间，其中三周期极小曲面（triply periodic minimal surface, TPMS）点阵因将空间划分为固壁与双流体通道而成为下一代换热器候选结构，Schwarz-D在同类TPMS中传热表现突出。已有研究多关注单元尺寸、壁厚、体积分数等对TPMS传热与流动的影响，但增材制造固有的表面粗糙度如何作用于Schwarz-D的热行为与流体特性仍缺乏系统认知，且部分实验显示粗糙使传热与压降同时上升、部分显示与理论偏差较小，矛盾结论亟需厘清。为此，研究人员以Schwarz-D为对象，采用人工粗糙度重构AM表面形貌，量化其对热工水力性能的影响，论文发表于《International Communications in Heat and Mass Transfer》。

关键技术方法上，研究人员基于扰动模型（perturbation-based model）直接修正Schwarz-D隐式函数以植入人工表面粗糙度，构造W10A0025、W10A005、W20A0025三种粗糙度构型并与光滑基准W0A00对比；采用计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）数值模拟，分析局部对流换热系数分布、流线结构、有效性、Colburn因子j_hot及性能评价准则j_hot/f_hot^1/3，并在宽雷诺数范围内评估粗糙度幅值参数与空间波数对传热强化的贡献。

研究结果部分，引言指出TPMS换热器相较传统板式、管壳式结构传热率高一个数量级，Schwarz-D优于Schwarz-P/G/IWP，但AM表面粗糙度作为固有缺陷会引起性能损失，既有文献对粗糙度利弊结论不一，故需专门研究Schwarz-D上粗糙度效应。数值方法小节阐明以扰动项叠加于标准Schwarz-D隐式方程Φ_D(x,y,z)=cos(wy)cos(wz)sin(wx)+cos(wx)sin(wy)cos(wz)+cos(wx)cos(wy)sin(wz)+sin(wx)sin(wy)sin(wz)+t生成粗糙壁面，实现粗糙度可控表征。研究人员通过模拟发现：人工粗糙度诱发局部对流换热系数集中，幅值参数A与空间波数W越大集中越强；流线显示主流螺旋与二次流结构未被粗糙度改变；W10A005的有效性高于光滑件且随速度提升优势扩大，但W0A00在j_hot与j_hot/f_hot^1/3上最优，说明粗糙度提升传热伴随摩擦代价，综合评判光滑面仍具优势。

讨论与结论翻译部分，研究人员总结：基于扰动的粗糙度建模可有效复现AM表面不规则性对Schwarz-D点阵的作用；粗糙度通过局部换热系数集中强化传热，但压降同步上升，净性能需借j_hot/f_hot^1/3权衡；W10A005在高流速下有效性占优，W0A00在换热-阻力综合评价中占优；幅值与波数增大加剧集中效应却不改主流构型。该工作为增材制造Schwarz-D换热器的热性能预测与粗糙度容忍设计提供了定量依据。