《Materials & Design》：Topology guided evaluation of lattice separators for additively manufactured: flow resistance characteristics and separation efficiency
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摘要专业翻译
气液分离在紧凑型流通系统中至关重要，用于在航空发动机润滑通风、油雾过滤、曲轴箱通风、压缩空气净化、工业除雾及聚结分离装置等广泛应用中去除分散油滴或液体气溶胶。在这些系统中，多孔分离介质通常用于增加液滴与壁面的碰撞、促进液滴拦截或聚结，并减少气流携
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气液分离在紧凑型流通系统中至关重要，用于在航空发动机润滑通风、油雾过滤、曲轴箱通风、压缩空气净化、工业除雾及聚结分离装置等广泛应用中去除分散油滴或液体气溶胶。在这些系统中，多孔分离介质通常用于增加液滴与壁面的碰撞、促进液滴拦截或聚结，并减少气流携带的液体量。然而，增强的液滴捕集往往伴随着流动阻力的增加，因为更小的孔隙、更高的曲折度、更长的停留时间以及更大的固液界面面积会产生额外的压降。增材制造（AM）为以确定性晶格介质替代随机多孔组件提供了有前景的途径，其孔隙结构、固体骨架和输运路径均可编程设计。特别是激光粉末床熔融（LPBF）技术能够制造具有可控单胞拓扑、相对密度、孔径分布、曲折度及承载框架的Ti-6Al-4V（TC4）晶格结构。三周期极小曲面（TPMS）晶格因其连续光滑表面、高比表面积和互连通道而备受关注。此外，基于杆件的晶格可提供定向流动路径、重复冲击表面和可调变形模式。尽管增材制造晶格材料发展迅速，但其作为油滴分离的确定性流通介质仍未被充分理解。现有研究主要集中于晶格材料的力学性能、能量吸收、疲劳抗力、传热、声学行为、渗透性或生物医学应用。更重要的是，孔隙率或比表面积等全局描述符不足以预测分离性能，因为液滴捕集取决于局部加速与减速、冲击角、回流以及固体表面的空间排布。因此，需要采用计算流体动力学（CFD）模拟与原位显微CT力学实验相结合的方法，以揭示晶格拓扑如何调控流通式分离介质中液滴尺度的输运行为和宏观力学性能。在本研究中，研究人员开发了一种面向增材制造TC4晶格介质的拓扑引导多性能评估框架，该介质旨在用于空气-油滴分离。研究人员设计了十二种晶格结构，包括四种TPMS和八种基于杆件的晶格，并保持相对密度近似恒定以隔离拓扑效应。通过CFD模拟评估了直流流动域中的压降、油滴分离效率、速度分布、涡量、静压和液滴轨迹。基于压降和分离效率，选取了四种代表性结构——TPMS-I、STR-B、STR-D和STR-I，采用TC4粉末通过LPBF制备。实验评估了其压缩行为、首次峰值应力、峰值后承载能力和能量吸收。进一步结合原位显微CT与数字体相关（DVC）技术，揭示了压缩过程中的内部应变局部化和损伤演化。通过整合几何描述符、流场分析、LPBF制造、力学测试和CT-DVC损伤表征，本研究阐明了晶格拓扑如何控制晶格分离器中的压降、分离效率和压缩诱导损伤。
论文解读文章
一、研究背景与问题提出
气液分离在航空发动机润滑通风、油雾过滤、曲轴箱通风、压缩空气净化及工业除雾等紧凑型流通系统中具有关键作用，其核心任务是去除气流中分散的油滴或液体气溶胶。传统多孔介质如金属泡沫和纤维滤材虽能提供丰富的碰撞位点，但其随机孔隙网络使得流动路径、冲击表面、压降和力学完整性难以独立调控。增强液滴捕集往往以增加流动阻力为代价，因为更小的孔隙、更高的曲折度和更大的固液界面面积会带来额外压降。因此，在受限压降和力学服役要求下，开发能够同时实现低压降、高油滴分离效率和足够压缩性能的定向多孔结构成为关键挑战。
增材制造（AM）特别是激光粉末床熔融（LPBF）技术，为以确定性晶格介质替代随机多孔组件提供了可行途径，其孔隙结构、固体骨架和输运路径均可编程设计。三周期极小曲面（TPMS）晶格具有连续光滑表面、高比表面积和互连通道的优势，而基于杆件的晶格则可提供定向流动路径、重复冲击表面和可调变形模式。然而，尽管增材制造晶格材料研究进展迅速，其作为油滴分离的确定性流通介质仍未被充分理解。现有研究主要集中于力学性能、能量吸收、疲劳抗力、传热、声学行为或渗透性等方面，鲜有研究将油滴轨迹、压降、分离效率权衡与压缩诱导损伤统一纳入拓扑引导的评估框架。更重要的是，孔隙率或比表面积等全局描述符不足以预测分离性能，因为液滴捕集取决于局部加速与减速、冲击角、回流及固体表面的空间排布。因此，需要CFD模拟与原位显微CT力学实验相结合的综合方法，揭示晶格拓扑如何同时调控液滴尺度输运行为和宏观力学性能。
二、研究内容与主要结论
本研究开发了一种面向增材制造TC4晶格介质的拓扑引导多性能评估框架。研究人员设计了十二种晶格结构，包括四种TPMS（Schwarz Primitive、IWP、Gyroid、Diamond）和八种基于杆件的晶格（截角八面体、简单立方、八隅体、IsoTruss、萤石、金刚石、Kelvin胞元和体心立方），所有结构相对密度保持在约30%以隔离拓扑效应。通过CFD模拟评估压降、油滴分离效率、速度分布、涡量、静压和液滴轨迹。基于数值筛选，选取四种代表性结构（TPMS-I、STR-B、STR-D和STR-I）进行LPBF制备和实验验证，包括准静态压缩测试和原位显微CT结合数字体相关（DVC）的损伤分析。
研究结果表明，在相对密度近似恒定的条件下，晶格拓扑强烈主导流动阻力、分离效率和力学完整性之间的耦合关系。STR-B因开放定向通道而具有最低压降，但其弱流动扰动导致分离效率低下。STR-I实现近乎完全的液滴分离和最高的力学鲁棒性，但代价是压降显著增加。相比之下，STR-D在压降和分离性能之间提供了更均衡的折中，成为紧凑型晶格分离介质的优选候选。流场和液滴轨迹分析表明，高性能分离需要重复的非平行冲击表面、充分的局部回流、适当的曲折度、孔径异质性以及促进液滴向固体表面迁移的局部加速或减速模式。力学测试和原位CT-DVC分析证实了拓扑依赖的压缩响应和失效机制，STR-I具有最高的首次峰值应力、峰值后平均应力和能量吸收，而TPMS-I和STR-D虽首次峰值应力相当，但峰值后响应存在显著差异。
三、关键技术方法概述
本研究采用的主要技术方法包括：计算流体动力学（CFD）模拟，用于评估十二种晶格结构的压降和油滴分离效率，采用拉格朗日离散粒子方法追踪油滴轨迹；激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术，使用TC4粉末制备四种代表性晶格结构；准静态压缩力学测试，获取工程应力-应变曲线并提取首次峰值应力、峰值后承载能力和能量吸收等参数；原位显微CT结合数字体相关（DVC）技术，用于揭示压缩过程中内部应变局部化和损伤演化。所有晶格模型单胞尺寸为5×5×5 mm，3×3×3胞元阵列形成15×15×15 mm晶格块体；实验样品单胞尺寸缩小至2.5×2.5×2.5 mm。
四、研究结果分析
4.1 晶格结构的几何与拓扑特征
通过计算比表面积、曲折度、层孔隙率和孔径分布等拓扑参数，研究发现尽管所有结构相对密度相近，但孔隙形态和表面分布差异显著。TPMS-D和TPMS-G具有较高比表面积，因其连续曲面提供丰富固液界面。STR-D在所有设计中表现出最高曲折度，表明更曲折的流动路径和更高的液滴-壁面相互作用概率。层孔隙率分布显示部分结构存在明显的厚度方向非均匀性，可导致局部流速不均和优先流动通道。STR-D兼具较小中值孔径和高曲折度，预期增强液滴拦截但也可能增加压降。
4.2 拓扑依赖的压降与分离效率性能
在10 m·s-1入口速度下，十二种结构的压降差异超过四倍。TPMS-P产生最大压降，STR-B阻力最低但分离性能最差。STR-D在保持高分离效率的同时具有中等压降，展现出最佳综合平衡。帕累托前沿分析表明，STR-D接近理想区域（低阻高效），STR-I代表高阻高效方案，STR-B代表低阻低效方案。相关性热图显示分离效率与任何单一全局几何参数均无强相关性，表明液滴去除受局部流动加速、流线偏转、冲击机会和表面取向的耦合效应控制。
4.3 流场演化与液滴捕集机制
在5-20 m·s-1速度范围内，所有结构的压降随速度快速增加，STR-I增幅最显著。STR-D和STR-I在全部速度下保持高分离效率。速度场分析显示STR-D引入倾斜通道和交错固体特征，增加流动重定向和液滴-壁面碰撞概率。涡量场表明STR-D沿倾斜杆件产生连续高强度涡量区，增强横向动量交换和液滴跨流线迁移，同时避免过度全局压降。静压场显示STR-D处于中间状态，重复局部压力梯度促进液滴迁移和壁面碰撞。液滴轨迹直接证实STR-D和STR-I中液滴进入晶格区域后迅速被拦截消耗。
4.4 压缩性能与原位CT-DVC损伤分析
四种LPBF制备晶格的压缩测试显示，STR-I具有最高首次峰值应力（约247 MPa，应变约12%），STR-D和TPMS-I相当（约187 MPa和183 MPa），STR-B最低（约156 MPa）。STR-I能量吸收最优（约45.39 MJ·m-3），STR-B约30.01 MJ·m-3。原位CT-DVC分析揭示TPMS-I应变先在顶部和中心区域累积后沿连通壁面网络扩展，表现出塌缩后重新硬化行为；STR-D应变沿倾斜杆件带强烈局部化，形成剪切主导的塌缩路径，高效耗能但可能导致局部承载能力提前丧失。
五、讨论与结论
本研究的讨论部分强调，分离效率无法仅由拓扑特征参数预测，高性能分离需要重复非平行冲击表面、充分局部回流、适当曲折度和孔径异质性共同作用。优选晶格分离器不应简单最大化表面积或流动扰动，而应在保持连续可渗透流动路径的同时创造足够的液滴-壁面相互作用。力学方面，拓扑决定载荷路径、局部屈曲顺序和塌缩传播模式，STR-I因高度连通的杆件网络和重复节点支撑载荷路径而延迟灾难性塌缩。对于实际设计，STR-D在压降和分离效率需同时平衡时被推荐；STR-I适用于优先考虑最大分离效率和力学鲁棒性且可接受较高压降的场景；STR-B可考虑用于压降为支配约束而分离效率要求不高的低阻力应用；TPMS-I适用于需要光滑流道、低阻力和可恢复塌缩后载荷传递的场景。本研究为增材制造晶格分离器的拓扑选择提供了结构-输运-力学一体化评估基础。
