仿肺泡超紧凑换热器：仿生设计+增材制造，散热效率提升近50%！

随着能源系统向高温、高功率密度方向发展，传统换热器在极端工况下面临性能瓶颈。如何通过结构创新，在有限空间内实现传热效率的跃升，成为领域内亟待突破的难题。

人类肺泡通过超高比表面积的囊状互连结构实现高效气体交换。西安交通大学韩宾、张琦教授团队从中获得灵感，将其转化为贯穿式交错空心管嵌套结构（图1），实现结构比表面积最大化与流场扰动优化，以提高热传导效率。该团队据此最新提出“仿肺泡超紧凑高性能换热器”，该成果近期发表在中科院一区Top期刊《Energy》上。

图1 囊状肺泡结构和仿生超材料结构设计

图2 期刊发表界面展示

传统点阵结构以其卓越的热交换能力而著称，但其刚性单元设计难以适配复杂流场扰动，导致在高温、高流速等极端工况下综合性能衰减显著，因此需要设计研制具有更高性能的热交换结构。本团队提出的“仿肺泡超紧凑高性能换热器”通过嵌套式变径空心管设计使该结构比表面积高达17 mm^-1，是传统TPMS结构（4-10 mm^-1）的2倍以上。

采用激光粉末床熔融技术（L-PBF），成功制备GH4169合金样品，实验和仿真误差控制在10-15%，证实了设计可靠性。通过强制对流条件下的热流体分析，揭示了该结构的独特设计元素（包括双管路嵌套结构、相对密度和管道特殊几何形状）对流动动力学和传热性能的关键影响。结果表明：(1)在高雷诺数（Re）情况下（Re≈32000），结构表现出卓越的传热性能，努塞尔数（Nu）达到621.44，比BCC结构高出48.8%。(2)其独特的单胞形态诱导出高度回旋的螺旋主流（Spiral primary flow）和螺旋次级流（Secondary flow-两种不同类型的涡流对）。这种复杂的管道内外流动模式提高了传热性能。

图3 仿肺泡交错贯穿空心嵌套结构管道内外诱发的复杂流动模式

图4 不同结构综合换热性能对比（30°、45°和60°为不同倾斜角度结构）

本研究的创新点如下：(1) 通过有限元模拟和实验验证，全面考察了不同尺寸参数和外部条件下结构的传热性能。(2)分析了嵌套结构对热流扰动的影响，深入探讨了结构特征如何影响传热动力学。(3)量化表征尺寸参数和流体扰动机制对结构整体传热效率的影响，确定优化设计以提高性能。

本研究为极端工况下的热管理提供了仿生学新范式。该特殊结构具有高比表面积、低阻力系数、轻质设计、耐腐蚀材料以及单胞嵌套和交错流道等特点。这些特性赋予了它在航空航天超高温散热、能源系统紧凑换热、电子器件热管理等场景下应用的巨大潜力。

相关成果以“Enhanced heat transfer of alveolar biomimetic interlaced hollow lattice metastructures”为题发表于国际权威期刊Energy。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.136272

西安交通大学韩宾副教授为论文的通讯作者。论文的第一作者是西安交通大学研究生宋函霖。合作者还包括西安交通大学张琦教授，中国工程物理研究院机械制造工艺研究所王钥工程师。

作者简介：

韩宾，西安交通大学机械工程学院长聘副教授，博士生导师，Materials期刊编委、航天制造技术期刊青年编委。从事多功能轻质结构创新设计、先进增材制造技术、复合材料成形及焊接等领域的研究工作。主持承担国家自然科学基金、科技部重点研发计划课题、军工科研项目、省部级科研项目及校企合作项目等20余项。在Int Mater Rev, Compos Part B, Chem Eng J, Compos Sci Technol, Addit Manuf, Virtual Phys Prototy, Energy, Int J Plasticity, Int J Mech Sci, Mater Design, Compos Struct等学术期刊发表中英文论文100余篇（SCI 90余篇），被引3800余次，H因子32；获得授权发明专利40项、软件著作权5项；荣获陕西省科技进步一等奖、陕西高校科学技术一等奖、陕西博士后创新创业大赛银奖、江苏省力学学会科学技术特等奖等省部级奖励4项。

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张琦，西安交通大学机械工程学院教授，博士生导师。陕西省三秦英才特殊支持计划科技创新领军人才，十四五“增材制造与激光制造”重点专项总体组专家，中国航发科技委专业委员会委员，大飞机增材制造协同创新联盟理事，陕西省机械工程学会理事，机械工程学会塑性工程分会理事。国防科学技术进步二等奖及陕西省科技进步一等奖，主持JKW基础加强项目，激光与增材制造重点研发计划，国家自然科学基金，04重大专项，陕西省重点研发计划。发表高水平学术论文120余篇，授权发明专利148项。

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