В современных самолётах топливо значительную часть времени находится в крыльях, где оно очень сильно охлаждается, что даже может привести к появлению в нём кристаллов льда и засорению системы. Однако охлажденное топливо даёт и преимущество – оно позволяет снижать температуру камеры сгорания, механических и электрических систем двигателя.

Топливно-масляные теплообменники позволяют осуществить передачу тепловой энергии между моторным маслом и топливом и выполняют следующие функции:

• охлаждение моторного масла до оптимальной температуры, позволяющей эффективно смазывать и охлаждать различные детали двигателя;
• предотвращение появления кристаллов льда в топливе, подаваемом в насосную магистраль и в двигатель;
• нагрев топлива ближе к температуре воспламенения.

Оптимизация конструкции топливно-масляного теплообменника существенно усложняется строгими ограничениями по размерам, форме и весу, предъявляемыми к авиационным конструкциям. Основные пути по улучшению теплообмена ¬– увеличение площади поверхности внутренних стенок и уменьшение их толщины.

Кожухотрубные теплообменники традиционно считались наиболее рациональным вариантом, поскольку они просты в разработке и изготовлении. Однако современные методы аддитивного производства, топологической оптимизации и вычислительной гидрогазодинамики (CFD) позволяют создавать, оптимизировать и оценивать такие конструкции, производство которых ранее было просто невозможно.

Как решётка с минимальной площадью поверхности увеличивает производительность теплообменника

Для создания конструкции с максимальным отношением площади теплообменной поверхности к весу можно использовать программный продукт компании nTopology под названием nTop Platform. Он обеспечивает лёгкую работу со сложными периодическими структурами, такими как трижды периодические поверхности минимальной энергии (TPMS – triply periodic minimal surfaces). Подробнее об этом читайте в блоге компании nTopology (на английском языке). Одним из примеров такой структуры, хорошо подходящей для применения в теплообменниках, является гироидная решётка. Она обеспечивает максимальную площадь поверхности и прочность при минимальной массе.

При этом работа со сложными периодическими решётками в традиционных CAD-пакетах всё ещё является затруднительной, а использование геометрического модуля nTop Platform позволило без проблем создать интересующую геометрию и, благодаря этому, увеличить производительность теплообменников на 150% по сравнению с традиционной формой.

Традиционные методы не позволили бы изготовить теплообменник такой сложной формы, но благодаря передовым технологиям аддитивного производства это стало возможным. Для изготовления тонкостенного теплообменника был выбран высокопрочный алюминиевый сплав, специально предназначенный для 3D-принтеров. Прочность материала позволила вдвое уменьшить толщину стенок, выполняя при этом все критические прочностные требования к конструкции, такие как давление разрыва.

Расчёт эффективности теплообменника методом вычислительной гидрогазодинамики (CFD)

Для оценки эффективности различных вариантов теплообменника выполнялись расчёты в программном продукте Ansys CFX.

Для ускорения оценки новых итераций и перестроения сетки был налажен автоматизированный рабочий процесс, связывающий программные продукты nTop Platform и Ansys CFX. Использование этих наработок в итерационном процессе проектирования позволило дополнительно увеличить эффективность теплообменника ещё на 12%.

Ознакомиться с другими примерами моделирования при помощи nTop Platform вы можете на странице nTopology на сайте Ansys (на английском языке).

Источник: www.ansys.com
Автор: Ryan O'Hara, Maiki Vlahinos