摘要：西班牙瓦伦西亚理工大学的科研人员报道了利于光学技术和增材制造快速表征航空发动机表面热交换器的气动特性研究进展。相关论文以“Rapid aerodynamic characterization of surface heat exchangers for tur

长三角G60激光联盟导读

西班牙瓦伦西亚理工大学的科研人员报道了利于光学技术和增材制造快速表征航空发动机表面热交换器的气动特性研究进展。相关论文以“Rapid aerodynamic characterization of surface heat exchangers for turbofan aeroengines through optical techniques and additive manufacturing”为题发表在《Thermal Science and Engineering Progress》上。

重点：

1.通过缩比风洞对热交换器进行表征。

2.在此类风洞中，侵入式测量可与模型空气动力学相互作用。

3.提出了一种非侵入式表征表面热交换器的方法。

4.显示热交换器翅片的3D打印模型可再现压力损失。

利用旁路流作为散热器的表面热交换器正成为一种减轻现代航空发动机的高热负荷的广泛应用解决方案。在全尺寸发动机测试中对此类热交换器进行实验表征极其昂贵且耗时，因此在能复制其极具挑战性流动条件的缩放风洞中进行实验是非常可取的。然而，由于截面尺寸减小以及涡扇发动机典型的高气流速度，侵入式仪器会影响部件的实际空气动力性能。因此，本研究提出了一种方法，利用光学技术对设计用于涡扇旁路的表面热交换器进行表征。此外，使用增材制造的热交换器模型复制实验条件的可能性可以快速对这些组件进行初步表征。在这项研究中，采用了PIV、LDA、Schlieren、LDV等不同的非侵入式技术来确定热交换器的空气动力性能和振动响应，并对流场进行了详细表征。使用不同的测量技术对数据进行了交叉验证。此外，还制作了一个3D打印模型与铝制热交换器进行比较，结果表明，在热交换器下游的速度分布、翅片引起的压降以及校正频率方面，两者的表现几乎完全相同。

图1.概念方法：（a）实际发动机中的SACOC布置，（b）缩小比例的风洞。

图2.SACOC模型：（a）铝制，（b）ASA 3D打印。

由于设计的自由和生产拓扑优化复杂部件的能力，增材制造技术的引入旨在生产高效热交换器。这些新型热交换器的特点是非常薄，与传统制造的产品相比，部件重量大大减轻，同时保持了防漏结构和优异的力学性能。目前的L-PBF系统和软件还不能完全满足创建高效复杂结构紧凑型热交换器所需的薄型防漏功能的要求，文献中的大多数研究都处于初始开发阶段。当前可用于制造新一代紧凑型热交换器的先进制造技术，特别是激光粉末床熔融技术。

图3.航空发动机的传统热交换器。

图4.a)三维打印热交换器，b)单片式打印热交换器，c)新一代传热元件。

图5.a) 增材制造的部件；b)CFD分析的边界条件；c)CFD数值方法的各个阶段。

图6.新一代优化热交换器的热优化分析示意图。

图7.粉末去除方法。a)第一种方法：重新设计部件；b) 第二种方法：使用后处理策略。

在这次研究中，使用了Dantec Dynamics公司的PIV系统。该系统由LD30-527 Litron激光器、Phantom VEO 640 高速相机、BNC 575 脉冲发生器和DynamicStudio软件包组成。下图图8显示了实验设置的图像。

该激光系统采用了两个CW泵浦Q开关Nd:YLF DPSS激光谐振器，产生波长为1053nm的红外激光，然后通过腔内谐波发生器（HGA）将其转换为可见光527nm。该激光器由两个光源组成，因此非常适合于PIV。一系列反射镜将激光束重新导向一个由三个透镜组成的光学装置，该装置将入射光转化为厚度可调的激光片，在测试部分厚度在1毫米到2毫米之间。如图8中，激光片沿流动方向辐照所需的z坐标平面（见图1），该坐标可手动调节。

图8.PIV配置图。

图9.LDA激光探头在测量过程中的图。

图10.Schlieren Z配置示意图和正在分析的3D打印SACOC的设置图。

图11.用于振动测量的LDV设置图。

图12.样品体积LDA测量。

图13.使用PIV对整个体积进行速度处理。(a)不同纵向平面的实验特征。(b)对数据进行插值得出体积。(c)提取感兴趣的区域。

图14.用SPIV捕捉到的三个测量截面的速度场。

图15.用PIV、Stereo-PIV和LDA测量的各平面（列）的速度分布（行）。

图16.每个平面（列）中立体PIV测量值的三维分量（行）标准偏差。

图17.根据LDA测量得出的各测量面的湍流动能强度。

图18.最外层翅片的平均振动频谱与运行挠度形状。振幅和频率以第一模态值表示。

图19.使用基尔探针测量的铝制和3D打印热交换器结构下游平面的速度曲线比较。

图20.铝制和3D打印模型的振动频谱对比。左侧为铝制第一模态的振幅归一化。右图中，每个频谱都以其相应的第一模式振幅归一化。频率已根据铝的结构特性进行校正。

本文介绍了使用非侵入式技术对涡扇航空发动机表面热交换器进行的实验研究。由于此类技术的全发动机测试非常昂贵且耗时，因此最好在按比例缩放风洞中进行实验表征。然而，测试可能涉及通过小截面的相对较高的马赫数，因此使用侵入式测量会影响最终结果。

因此采用一种方法对热交换器进行光学表征。科研人员采用了不同的技术来交叉验证所获得的结果，每种技术都具有一定的优势和局限性。对双维和立体PIV、LDA和Schlieren进行了比较，结果表明它们之间以及它们与侵入式技术之间的一致性非常好。对SACOC下游的尾流以及速度分布和湍流进行了分析，证明翅片的影响仅限于通道底部，并验证了只研究热交换器周围发动机旁路代表性区域的方法是有效的。此外，还利用LDV进行了振动测量，分析了翅片的主要频率和挠度形状。

然而，这些技术并非没有缺点，在采用这种方法之前必须考虑到这些缺点。第一个挑战是如何准确定位不同的装置，收集同一区域的信息。非侵入式技术通常由笨重而精密的仪器组成，这些仪器使用不同的定位系统和方法：透镜、外置镜、自定位电机等。此外，使用PIV后处理来推导速度场的Schlieren测量在正确找到要比较的代表性区域方面更为复杂，因为长度校准是基于间接的已知尺寸，例如本例中的翅片高度。不过，需要注意的是，这种方法并不完全正确，因为距离摄像机较近的物体的尺寸意味着比距离物镜较远的同一物体有更多的像素。因此，在采用所建议的方法时，需要仔细考虑这些挑战。

此外，调查的最后一部分证明了快速FDM增材制造原型进行初步测试的可行性。塑料模型和铝模型不仅下游的速度分布几乎相同，而且翅片几何形状引起的压降也相匹配，即使塑料原型的振动振幅值较大。用铝的结构参数校正频率时，这种方法还能确定最终模型的主要频率。

当然，ABS和ASA等材料的FDM AM在热性能表征方面受到限制，因为ASA材料只能支持相对较低的温度（最高90℃）。此外，FDM方法无法实现100%填充，而且是分层工作，因此无法精确确保体热性能及其各向同性。不过，金属AM可以克服这些限制，而且随着技术的进步，它在快速原型制作方面的成本也会越来越低。

这证明，通过增材制造和基于边界层操纵的缩比风洞方法，可以进行经济、快速和非侵入式测试，分析高速表面热交换器的气动性能。这种方法可大大加快新型热交换器的优化速度，减轻现代航空发动机所面临的严峻热负荷。

最后，值得一提的是，这种方法可以扩展到其他热交换器概念，其中流动动力学是关键，例如基于扭曲带的热交换器和那些需要复杂三维结构的热交换器，这些热交换器必须通过AM 制造。此外，在按比例风洞中实现的边界层控制与旁路速度曲线相匹配，可证明有利于其他航空发动机部件的实验测试，例如旁路风道中用于减少噪声排放的隔音衬里。

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长三角G60激光联盟陈长军转载

来源：江苏激光联盟