表面缺陷对增材制造的椭球形Kelvin晶格中的流动和热传递的影响

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Effects of surface defects on flow and heat transfer in additively manufactured ellipsoidal Kelvin lattices

　　摘要
大多数关于椭球形Kelvin lattice强迫对流的研究依赖于理想几何形状或等效粗糙度，忽略了增材制造引起的表面粗糙度和几何偏差的联合影响。本研究探讨了通过选择性激光熔化（SLM）制造的AlSi10Mg椭球形Kelvin lattice的流动和传热性能。制造了六种单元胞配置，其支柱直径为0.5–1.0毫米，并使用微CT、激光共聚焦显微镜和点云配准技术对其进行了表征。重建的几何形状用于CFD模拟，并通过在50毫米×50毫米×10毫米的拉格子上进行的风洞实验进行了验证，实验条件为恒定热流密度40千瓦/平方米和入口速度5–20米/秒（雷诺数约为121–988）。实验得到的压力降和传热结果与数值预测非常吻合。特征分析显示，打印出的晶格具有制造引起的粗糙度和轻微的几何偏差，这些因素改变了局部流动通道，从而影响了压力损失和传热性能。其影响程度取决于支柱直径：对于小支柱（0.5毫米），粗糙度增强了靠近壁面的混合效果，使得对流传热系数在20米/秒的速度下比理想模型高出14%，尽管压力损失也有所增加；对于大支柱（1.0毫米），几何偏差变得占主导地位，使得传热系数比理想模型降低了14.9%。这些结果阐明了表面粗糙度和几何偏差在增材制造的Kelvin lattice中的竞争性作用，并为晶格换热器的设计和优化提供了指导。

引言
在紧凑型换热器和高效热管理结构的设计中，流动和传热性能的协同优化仍然是一个核心挑战[1]，[2]。传统的增强策略，如使用 fins 或多孔介质，通常依赖于增加流体扰动和传热面积来增强对流性能[3]，[4]。然而，这些方法往往受到制造复杂性和有限几何连续性的限制，难以在有限体积内同时实现高表面积密度和低流动阻力[5]。增材制造（AM）的出现为克服这些限制提供了新的机会[6]，[7]。基于分层离散化和堆积原理，AM 通过逐步沉积材料来实现三维固体的数字化制造[8]。该技术在快速原型制作和复杂几何形状制造方面具有显著优势[9]，为具有复杂晶格或多孔几何形状的紧凑型换热器提供了高度灵活的设计和制造平台。因此，AM 晶格已广泛应用于原型和工程规模换热器研究[12]。在选择性激光熔化（SLM）或激光粉末床熔合（LPBF）过程中，熔池的稳定性受到粉末特性、再涂层质量和线能量密度的影响，后者由激光功率、扫描速度、排针间距和层厚决定，同时也受到组件取向和热历史的影响[13]，[14]。熔池的不稳定性容易引入过程固有的缺陷，如球化[15]、飞溅再沉积[16]、熔合不足[17]、步进现象[18]、边缘塌陷和尺寸收缩[19]。结果，打印出的组件在其理想CAD几何形状上存在偏差：在微观层面，表现为微米级的表面粗糙度峰和谷[14]；在宏观层面，表现为毫米级的形状变形[20]。这些偏差改变了靠近壁面的湍流和边界层的发展[21]，有效减小了局部水力直径，最终导致设计压力降和实际压力降及传热性能之间的差异，增加了总体不确定性[22]，[23]。在增材制造的固有不确定性下，选择几何可控的周期性晶格作为紧凑型传热单元变得尤为重要。其中，Kelvin单元因其高比表面积、低无效体积和出色的参数化灵活性而脱颖而出[24]，[25]。 recent研究系统地探讨了基于Kelvin结构的几何变化和参数优化与流动和传热的关系[26]。通过调整支柱直径、孔隙率和单元胞尺寸，研究者建立了强迫对流条件下努塞尔数和压力降之间的经验关系，强调局部收缩和膨胀在传热和损失中的主导作用[25]。在拓扑比较中，Weaire-Phelan 结构常被用作Kelvin晶格的基准；选择性移除或重新分配其支柱可以大幅降低压力降而不影响传热能力，表明管理局部形状损失可以提升整体性能[27]。在Kelvin家族的演变中，如椭球形Kelvin单元（EKC）和体心立方（BCC）晶格等变体在相同孔隙率下表现出不同的通道连通性和流动扰动模式。多尺度模拟显示，EKC结构在中等雷诺数范围内实现了更高的努塞尔数和更可控的压力降，而标准Kelvin单元则保持了稳健的性能[28]，[29]。大多数关于增材制造的Kelvin型晶格的研究主要关注整体热流性能[30]，[31]，[32]，[33]，[34]，通常依赖于理想化的CAD几何形状、简化的等效粗糙度处理，或综合考虑不同制造引起的缺陷的打印几何形状[35]。因此，真实表面粗糙度和制造引起的形态偏差对流动阻力和传热的单独贡献尚未得到充分区分，特别是对于通过选择性激光熔化（SLM）制造的椭球形Kelvin单元。据我们所知，本研究是首批系统地解耦并量化SLM制造的椭球形Kelvin单元的真实表面粗糙度和形态偏差贡献的研究之一。为了解决这一研究空白，本研究结合了微CT重建、激光共聚焦表面表征、高密度点云配准、数值模拟和实验验证，建立了设计和打印模型之间的直接比较框架。

设计及增材制造椭球形Kelvin单元
在SolidWorks 2024中，通过图案化单个椭球形Kelvin单元设计模型，生成了六种不同圆柱支撑杆直径（从0.5毫米到1.0毫米）的样品。单个单元的尺寸如图1(a)所示。理想设计模型和实际打印模型的关键参数在表1中总结。以“0.5-D”和“0.5-P”为例，“0.5”表示支撑杆直径为0.5毫米，“D”表示理想设计模型。

边界条件
在SimpleWare 2018.12中构建的网格模型被导入Ansys Fluent 2022 R2平台进行数值模拟。工作流体是空气，其热物理性质被视为常数，具体数值见表4。入口边界条件定义为速度入口，速度范围为5–20米/秒，入口温度恒定为300 K。出口定义为压力出口，表压固定为零。恒定热流密度为40千瓦/平方米。

实验装置
为了系统评估椭球形Kelvin单元在强迫对流条件下的传热和流动特性，本研究采用增材制造技术制造了相应的AlSi10Mg晶格样品，如图8所示。每个样品的椭球形Kelvin单元直径为1.0毫米，整体尺寸为50毫米×50毫米×10毫米。为了进行实验表征，构建了一个专用测试装置（图9和图10），包括一台鼓风机和一个直管。

压力降分析
在5–20米/秒的流速范围内（图12），理想设计模型和3D打印模型的压力降随流速和支柱直径的增加而单调增加。压力降的相应计算公式如下：
?P = Pin ? Pout

对于小支柱直径的情况，打印模型的压力降明显高于相应的设计模型。在20米/秒的代表性速度下，0.5-P、0.6-P和...

结论
本研究调查了理想设计模型和3D打印椭球形Kelvin晶格在5–20米/秒入口速度下的强迫对流传热特性。分析了增材制造引起的粗糙度和形态偏差对流动阻力、传热和整体热流性能的影响。主要结论如下：
1. 打印模型显示明显的直径依赖性...

作者贡献声明
刘宇：概念化。廖文鹏：撰写——原始草稿、软件、数据整理。张晓凯：验证。孙明瑞：资金获取、正式分析。严广翰：撰写——审阅与编辑、项目管理。宋永辰：可视化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
作者感谢中国国家自然科学基金（资助编号52406070）的支持。